Воздушные конденсаторы переменной емкости (КПЕ) на КВ используются в П-контурах ламповых PA и в тюнерах. Там на них имеются высокие напряжения при проходящих мощностях в сотни ватт ... единицы киловатт. Причем предполагается оперативная настройка КПЕ пользователем.
А человеку свойственно ошибаться (например, на вторые сутки теста после бессонной ночи - hi). В результате напряжение на КПЕ возрастает настолько, что возникает искровой пробой - дуга разряда. Мощности усилителя хватает для того, чтобы эта дуга начала бы плавить пластины КПЕ как при электросварке. Образующийся при этом расплавленный металл, замыкает КПЕ, выводя его из строя.
Если исходный зазор между пластинами КПЕ велик (несколько мм), то затеки расплавленного металла можно убрать плоским надфилем (хотя это и партизанщина). Но если зазор был мал (например, антенный КПЕ П-контура с зазором полмиллиметра), то ремонт практически невозможен.
Раньше, когда воздушные КПЕ продавались чуть дороже лома, их замена не представляла трудностей: выбросил старый и купил на развалах новый. Но сегодня цена приличного КПЕ начинается от 100$, да еще совершенно не факт, что он станет по размерам на место старого.
При таких трудностях имеет большой смысл потратить несколько $ на цепи защиты, предотвращающие пробой (и последующий выход из строя) дорогостоящего КПЕ.
Методов предотвращения пробоя КПЕ есть три:
Применять КПЕ с многократным запасом по напряжению. Т.е. с очень большим зазором. Метод работает, но требует много места и денег.
Никогда не ошибаться при настройке, чтобы напряжение на КПЕ было бы всегда в норме. Наверное есть такие люди, которые достаточно аккуратны, чтобы пользоваться этим методом. Я, увы, нет. Ошибки (типа попытки настройки на другую антенну) случаются. Но даже никогда не ошибавшийся оператор может не успеть отследить неисправность в антенно-фидерном тракте.
Поручить автомату следить за напряжением и при подходе его к опасной границе переводить РА в режим приема. Т.е. обеспечивается блокировка ошибки или аварии, а дополнительные расходы невелики.
Наиболее разумным представляется третий метод. Реализацией такого устройства в применении к П-контуру лампового РА, мы и займемся ниже.
Схема защиты показана на следующем рисунке.
Она содержит две похожие цепи, выдающие сигналы логического нуля (открытый коллектор) при превышении допустимого переменного напряжения на каждом из КПЕ. Далее эти сигналы активируют общую триггерную защиту РА или переводят его в режим RX – это уже на усмотрение конкретного разработчика.
Рассмотрим работы защиты на пример левой части схемы (по анодному КПЕ). При достижении уровня пробоя разрядника HL1 (оно должно быть выше рабочего напряжения КПЕ, но ниже напряжения его пробоя) через него начинает протекать ток.
Со вторичной обмотки токового трансформатора TI1 снимается сигнал, пропорциональный току через разрядник.
Далее через ограничительный резистор R3 этот сигнал поступает на диодный детектор VD1 и после выпрямления открывает ключ на транзисторе T1 (любой кремниевый средней мощности), сигнализируя о пробое.
Ограничитель напряжения на 6-ти диодах предохраняет от выхода из строя детектор и ключ при больших токах разряда. R2 задает порог срабатывания защиты.
Теперь пройдемся по схеме (уже зная как она работает) еще раз более внимательно.
В качестве HL1 используется молниезащитный газовый разрядник. У меня при анодном напряжении 2,9 кВ (следовательно, нормальная амплитуда ВЧ на анодном КПЕ должна быть не больше этой цифры) используется A71-H35X с пробивным напряжением 3,5 кВ. Молниезащитные разрядники удобны по многим параметрам: они недорогие, небольшие и выпускаются на множество разных напряжений.
Токовый трансформатор TI1 такой же, как в измерителе КСВ. Его первичная обмотка – просто вывод разрядника. Вторичная содержит 20 витков. Я использовал кольцо FT-50-43 из 43 материала с внешним диаметром 12,5 мм, но вы можете использовать любое описание токового трансформатора от КСВ-метра соответствующей мощности. Физически TI1 расположен сверху около шасси и максимально закрыт снаружи заземленным экраном так, чтобы не образовывалось короткозамкнутого витка (опять же, см. конструкции КСВ-метров).
Все остальные части защиты расположены в подвале шасси.
Резистор R3 и шесть встречно-параллельно включенных импульсных ВЧ диодов ограничивают амплитуду ВЧ напряжения до ~2,1 В при токах в разряднике до 50 А. В течение нескольких миллисекунд (нужных на срабатывание реле защиты) диоды 1N4148 способны выдержать ток 2,5 А. Умножая это на коэффициент передачи TI1 20 получаем 50 А. Больший ток практически нереален. Напряжение горения дуги около 50 В, что при токе 50 А дает 2,5 кВт. Т. е. даже если РА отдает 2,5 кВт и всё в дугу (что практически невероятно), то диодный ограничитель напряжения выдержит.
Резистор R2 устанавливает напряжение на детекторе при минимальном токе разряда, т.е. порог срабатывания. Т1 откроется когда амплитуда напряжения на R2 достигнет ~1,5 В. При полном сопротивлении R2 100 Ом, это соответствует току вторичной обмотки T1 15 мА, или току через разрядник 15 мА•20 = 0,3 А.
Здесь надо пояснить зачем задается столь высокий порог 0,3 А. Дело в том, что ток через разрядник течет не только при пробое. Разрядник ведь имеет емкость (по паспорту не более 1 pF, реально измеренная получилась 0,4 pF). И через эту емкость течет часть контурного реактивного тока. Эта часть равна отношению емкости разрядника к емкости настроенного КПЕ, т.е. максимальна на 28 MHz. Расчеты показывают, то при мощности РА 1 кВт, ток через не горящий разрядник при нормальной работе РА может достигать 150 ... 250 мА. Понятно, что от этого тока защита срабатывать не должна. Поэтому порог и ставится выше.
Если хотите поймать защитой самый начальный момент зажигания разрядника, то поставьте вместо R2 резистор побольше (скажем, 1 кОм). И контролируйте напряжение на коллекторе T1 (подключив его к источнику в несколько вольт через резистор несколько килоом). Настроив РА на максимальную мощность в диапазоне 28 MHz, уменьшайте R2 до тех пор, пока T1 не закроется. Уменьшив R2 еще немного (запас на нагрев p-n переходов), получаем границу, при которой защита не реагирует на нормальную работу РА, но сработает даже при небольшом токе разряда.
Кстати говоря, такое устройство защищает от перенапряжения не только анодный КПЕ, но и лампу, не позволяя развиться слишком высокому мгновенному напряжению на её аноде (там сумма постоянного питающего напряжения и переменного, которое на КПЕ). А это существенно снижает вероятность пробоя лампы.
Защита антенного КПЕ аналогична (правая часть рисунка), с парой отличий:
Использован более низковольтный разрядник на 600 В A81-A600X.
Поскольку емксоть антенного КПЕ на 28 MHz в несколько раз выше, чем у анодного, то емкостной ток через разрядник при нормальной работе мал. Поэтому порог срабатывания защиты установлен ниже (0,15А) и не регулируется. Если нужен другой порог, соответственно измените номинал R6.
Если предполагается работа РА только на хорошо согласованные антенны фидеры, то описанную защиту антенного КПЕ можно не ставить, ограничившись стандартной защитой по превышению КСВ (точнее, уровня отраженной мощности).
Но если возможна работа РА на антенны с высоким КСВ, т.е. использование П-контура и в качестве согласующего устройства, то защита по КСВ будет даже вредна, отключая РА от антенны, на которую в принципе можно было бы настроиться П-контуром. В таком случае описанная защита антенного КПЕ от перенапряжения – намного разумнее.
Такую защиту можно использовать и в антенных тюнерах с не заземленными КПЕ. Параллельно защищаемому КПЕ ставится разрядник, на вывод которого надевается экранированный токовый трансформатор. Остальное аналогично.