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一台国产1kW短波功放的烧掉

为了庆祝党的百年华诞,工信部组织了一次全国范围的短波通信活动,通过回望战争年代的空中桥梁,鼓励人们铭记历史,开拓奋进。

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由于活动不涉及军队,而地方部门的短波技能已经是历史故事了,各地擅长短波通信的无线电爱好者响应号召来协助这项工作。需要说明的是,无线电爱好者的设备并不代表国产短波通信装备的真实水平,我国有高可靠的全固态短波设备,但要么是军用的,要么是船用的,为爱好者设计的比较少。

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为了北京能收到良好信号,采用短波功放来扩大发射功率是一个较好的办法。受限于财力,爱好者的功放大多是爱好者的团队开发和制造的。在活动准备期间,我带去了一台功放——如果能派上用场,敝省或许能成为整个活动唯一用我国无线电爱好者自己制造的全固态功放的地方,那会是对DIY产品的莫大鼓舞。

很遗憾,在正式通信开始前30分钟的测试发射中,为了观察功率,担任话务员的爱好者对着话筒吹了一声长长的口哨,随着输出功率达到1kW,功放的风扇出口喷出了滚滚浓烟。

幸好没有在正式通话的时候冒烟,否则随着视频直播,立马就会变成比活动本身还大的新闻。

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最后使用了另一台功率稍小的功放圆满完成了任务。

这个故事告诉我们,对于这种具有政治性的活动,一定要稳妥可靠万无一失,留有充分的裕量,切忌标新立异。

本文是对故障功放的拆解,供有志于做出优秀国产功放的爱好者吸取教训。

一、基本情况

该功放由我国爱好者于2017年制造,当时售价约1.2万元,采用NXP公司的1.8kW功率管(这个管子目前已有国产替代),单级放大,程序控制,无天调。

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背面,具有两组输入、输出端口,内置切换器。

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拆开第一层外壳和第二层挡板。

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二、驱动功率输入部分

短波推动功率输入口的下方有一张独立的网络接口板。

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短波输入部分,通过继电器合成一路,另外两个接口与接收有关,即功放不工作时,将输入直通天线,以便接收信号。

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输入通路上的定向耦合器,用于测定输入功率。

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三、电源部分

这是220V输入电源的滤波器和上电时序。作为采用开关电源的短波功放,必须做到很低的传导辐射,不能对接收产生干扰。

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下方是开关电源,是一个大铝盒子。因为电源不是本文关注的重点,就没有拆开。

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四、控制部分

这是前面板,包括显示器和电源开关(下方圆点)。可能是成品模块二次开发。

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这是连接前面板电源开关的插头。

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连接显示屏模块的电缆,看起来是串口控制。

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这是主控板,在前面板的对面。

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主控板应该是功放开发团队自己设计的

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这个可能是频率计。该机可以根据输入频率自动切换低通滤波器,无需手动设置,非常的方便。

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还有许多模块的组合

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五、低通滤波器

这是低通滤波器组件

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这是功率输出端口后面的板子,可以看到该功放用压接的SMA连接器来承受kW级的功率。板子上有定向耦合器用于检测输出功率和驻波。

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对应的机箱外面是天线接口,也有两路,在机内由继电器选通。

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拆卸低通滤波器板,需要拆下SMA插头。

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低通滤波器板,可见6段滤波器,频率从左到右依次变低。

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用的大电流继电器

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低通滤波器的背面,用了许多低损耗电容。

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低通滤波器是手工焊接的,看着就觉得很辛苦。

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六、功放部分

拆掉低通以后,能看到功放模块

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拆掉铝板保护罩,就露出了功放板。

功放采用铜板过渡铝散热器的散热方案。铜板面积很大,但比较薄;铝散热器构成风道,实施强制风冷。

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该功率管增益较大,5W的推动即可出1kW以上功率,而一般的短波电台可达百瓦输出。为了预防过推动损坏功率管,功放的输入通路上有一个10dB的功率衰减器,并串联有电阻。

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推动功率经变压器进行宽带阻抗变换并转换为差分信号,以供双管芯功率管实现推挽放大。通常这些功率管的输入阻抗都很低。

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另一个角度

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功率管的输入端,可见甲乙类偏置电路,左侧的温度传感器应该只是用于监测温度,似乎没有对偏置进行温度补偿。

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功率管的输出端

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功率管输出阻抗是很低的,需要经变压器将差分功率整合成单端功率,并将阻抗提升到50Ω。图示变压器的输出。可见输出后立即经过定向耦合器,应当是做驻波保护之用。蓝色的同轴电缆通往低通滤波器组件。

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另一个角度,可见变压器初级是铜管构成的1/2匝线圈(两个管芯各半匝)。

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功率管采用50V供电。电路板设计时似乎考虑了正极接地的供电方式。

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七、功率管的烧毁

功率管烧毁一个管芯,PCB铜箔被烧蚀掉大约0.5cm2

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八、可能的烧毁原因和防范措施

该管俗称不死管,在限额以下使用,几乎不会烧毁。手册给定的连续功率定额是1670W(100MHz),在短波段应可更大。在驻波65,过推100%,任何反射相位,100μ脉冲下不烧毁。

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当然,手册只是特定条件下的指标,实际工作中也偶有发生不明原因失效的案例。

本次烧管事故发生时,天线工作良好,驻波小于1.1。综合拆解分析,推测烧管原因是瞬时热崩溃,理由如下:

1、该管未与铜散热器钎焊,而是采用涂抹硅脂的方式压接。硅脂热阻大,且经过三年多陈放,导热率进一步降低。

2、铜散热器过薄,只有2~3mm厚度,实际导热截面积小,无法实现将热量分散过渡到铝散热器的预期目标。

3、该机驻波保护极灵敏,且在低通之前。保护未动作,机内各线路也未见烧蚀痕迹,因此排除机内驻波大。

4、烧毁时推动功率不超过80W,显示屏上指示功率1kW左右,理论上不存在过推动。

5、烧毁并未发生在发射开始的瞬间,而是在吹长口哨过程中,功放已经满功率工作了2-3秒。

6、烧毁时工作频率位于15MHz附近,应不存在变压器初级电感不足的问题。

由于PCB烧毁,现在也不太容易找到备件了,计划报废处理。我也暂时没空把管子拆开查看烧毁情况,故原因推测仅供参考,今后如有新的发现再补充。

对于这类功放,从长期稳定工作考虑,应注意以下事项:

1、如果达不到厂商规定的接触散热工艺条件,管子必须钎焊在铜散热器上。

2、铜散热器必须做热仿真。就经验而言,不需要这么大面积的铜板过渡,但必须足够厚。

3、由于这类管子烧毁时几乎都会烧掉PCB,故应该把管子和铜板做成小模块,把输入输出变压器等放在小模块以外(短波这种低频,拉远一点没多大问题),以便烧管后局部更换。

虽然此机在设计和工艺上存在这样或那样的问题,但它毕竟是我国爱好者第一次商品化全固态大功率短波功放,因此请勿苛责。

[正文完]

参考文献

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[修改于 3 年前 - 2021/08/07 05:25:57]

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~~空空如也
古人
2年7个月前 修改于 2年7个月前 IP:宁夏
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虎哥作者
2年7个月前 修改于 2年7个月前 IP:四川
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这篇文章发表以后,在圈内引起了很大反响,各种意见也随之而来,有的是我没有周全考虑的。因此做一点点解释:

1、这篇文章并无任何攻击性,除个别细节外,整篇其实都在赞扬爱好者的创造,鼓励大家做出更好的东西。为了把文章搞得更加正能量,我已经尽了很大的努力,甚至连被人拿去说国产设备闲话的可能性都考虑到了,提前在文字上做了封堵。

2、推动功率是估计的,也就是短波电台的功率旋钮开到了大约80W的位置,但真实输出有没有80W是不清楚的。实际只关注到功放显示屏上的输出功率,大约在1kW左右。

我在刚拿到这个功放时(三年多前)测试过,在40W推动下,他能出600-800W,实际增益大概12dB左右。

为什么需要吹口哨呢,因为领导讲话的声音大小是未知的,通常声音偏小、距离话筒偏远、话筒的位置和角度也没法仔细培训,导致功率出不去。其实最好的办法是改进ALC,使得不论声音大小,都能接近于一个比较大但安全的功率,但现场没有这个条件。临时的办法是吹口哨并调节推动功率,使功放输出额定最大值,然后把MIC增益开到最大。烧毁是在吹口哨的阶段发生的。

3、功放是先用小功率调定好以后才开始大功率工作的,烧毁是在大功率输出已经持续了两三秒之后发生的,并不是一发射就冒烟,在文中也已经说过了。

4、这个功放在我的机架上放了三年多时间,使用起来也很舒适。这么久才第一次出故障,并没有什么值得指责的。

5、我是最早一批下单支持这个产品的,因此是早期的版本,并不代表后来的产品。

整个活动,属我损失最大,我没有发表任何怨言。

短波爱好者
2年7个月前 IP:黑龙江
895285

未必是热坏的,继电器和那个SMA插头比较可疑

miles
2年7个月前 IP:北京
895317

做工真的有点惨目忍睹,1kw输出就用普通的SMA将就,不靠谱,不知道这个SMA还有那个普通的特氟龙线耐压是多少

苦丁茶
2年7个月前 IP:吉林
895319
引用miles发表于4楼的内容
做工真的有点惨目忍睹,1kw输出就用普通的SMA将就,不靠谱,不知道这个SMA还有那个普通的特氟龙线...

罗德施瓦茨1kw的短波台功放板的500w输出用的也是这种sma头

shenwa
2年7个月前 IP:新疆
895404

今年55节比赛用了一台同型号的发cw,发着发着就闻到味不对,赶快停下来才未免于难。拆开看了看,倒是那都好着!万幸!

gtf216
2年7个月前 IP:山东
895486

看来散热还真实存在问题,半功率使用不要紧,全功率使用时,热量不能及时传导出来,就会烧管,厂家的手册应该有热传导的要求。

费米能级
2年7个月前 IP:辽宁
895571

1KW也不算大,只算刚起步,装配问题可能是主要了,功率管和散热缓冲铜片之间多了缝隙之类的,外面看不出来,但是会是毁灭性的错误。

chicken446
2年5个月前 IP:广东
897130

好文章,再次证明短波功放使用条件很重要,不是做了保护措施就能万无一失。一方面是电路设计是不是完善,另外元件是不是有老化和失效的情况,尽量避免采用SL16接口(俗称M口)经常会接触不良,瞬间击穿功放。接头的松动,那个打火的速度保护电路是来不及保护的,只能看见一缕青烟。

另外SMA接口是可以承受很大功率的,当然是说正规厂家镀金的,50元一只左右的,不是说2元一只那些锌铁镀铜货色。

这款功放的做工已经算是很规整了,不然也不会成为虎哥的囊中之物。哈哈

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