Создание сверхмощных радиовещательных станций

часть 3

В.Г. Буряк

История создания сверхмощного радиовещательного КВ-передатчика "Кондор-1" мощностью 2000 кВт

К середине 1974 г . стало очевидно, что разработка передатчиков мощностью 2000-4000 кВт специализированными предприятиями промышленности средств связи отодвигается на многие годы из-за серьезного отставания в разработке заказанных для этих целей комплектующих изделий.

В связи с этим в августе 1974 г . Министерством связи СССР была поставлена задача по созданию таких сверхмощных передатчиков своими силами с использованием отечественных комплектующих изделий, разработанных для передатчиков меньшей мощности. В относительно короткий срок надлежало разработать радио­вещательный КВ-передатчик мощностью 2000 кВт, оперативно перестраиваемый в диапазоне частот 5,8-22 МГц. Передатчик был назван "Кондор-1".

Реализация такой задачи казалась вначале маловероятной в первую очередь из-за отсутствия генераторных ламп нужной мощности.

За плечами был нелегкий путь создания передатчика ПКВ-1000, который показывал, что дальнейшее увеличение количества ламп типа ГУ-65А в выходном КВ-каскаде нереализуемо, а более мощных приборов, при­годных для этих целей, не было.

Стало очевидно, что разработка передатчика "Кон­дор-1" зависит от возможности получения от одной лампы ГУ-65А мощности 500 кВт при амплитудной ее модуляции - уровне, допустимом лишь в телеграфном (без модуляции) режиме этого прибора. Таким образом, необходимо было увеличить среднюю мощность лампы в 1,5 раза.

Проведенные исследования [14] показали возможность и пути решения этой проблемы. Были разработаны специальные условия работы ламп в форсированном режиме, снижающие мощность, рассеиваемую на ее управляющей сетке - наиболее слабом элементе в конструкции триода ГУ-65А.

Учитывая принципиальную важность вопроса надеж­ной работы ламп в форсированном режиме, результаты теоретической проработки были проверены экспериментально в Талдомском радиоцентре на передатчике ПКВ-1000 при применении в его выходном каскаде двух ламп (вместо четырех). Экспериментальные исследования и длительная опытная эксплуатация подтвердили результативность принятых мер по снижению нагрева управляющей сетки, позволили оптимизировать параметры форсированного режима и определить продолжительность работы ламп в таком режиме. Срок службы ламп оказался приемлемым - примерно 2500 ч1. Положительные результаты эксперимента позволили приступить к разра­ботке схемы и конструкции передатчика "Кондор-1".

Основные особенности построения передатчика "Кон­дор-1" изложены в [16]2.

Потребовалась разработка принципов построения и методики расчета сверхмощных ВКС [17]. Была разработана также методика расчета относительного уровня гармоник на выходе передатчика, основанная на оценке коэффициентов трансформации активной составляющей сопротивления для первой и высших гармоник в.ч. сигнала отдельными звеньями схемы [18]. Это повысило результативность принимаемых решений и позволило осуществлять расчеты с достаточной для практических целей точностью.

Выходной каскад построили, как и в ПКВ-1000, по двухтактной схеме на четырех генераторных триодах ГУ-65А (ГУ-88А). Однако при этом была усилена интенсивность водяного охлаждения анодов этих ламп. В выходном и предоконечном каскадах применены схемы с гальваническим заземлением управляющей сетки. Осуществлены меры по уходу от резонансных явлений на гармониках [19]. Существенно улучшена система защиты лампы выходного каскада благодаря применению принципиально новой высокочувствительной схемы, реагирующей на сам факт пробоя [20].

В передатчике "Кондор-1" по сравнению с передатчи­ком ПКВ-1000 потребовалось усилить фильтрующие свойства ВКС. Применена трехконтурная ВКС, третий П-контур выполняет функции согласования с антенным фидером [21]. В результате этого и ряда других мер мощность гармоник на выходе такого сверхмощного передатчика не превышала 50 мВт (относительный уровень <76 дБ).

Модулятор передатчика "Кондор-1", по существу, является сверхмощным широкополосным усилителем низкой частоты с выходной мощностью порядка 1,8 МВт. Лампы выходного каскада модулятора при таком уровне мощности работают с сеточными токами, достигающими в импульсе при 100%-ной модуляции величины порядка 100 А, а его входное сопротивление становится ниже остаточного сопротивления цепей возбуждения. В этих условиях традиционное построение схемы подмодулятора (предоконечного каскада модулятора) с низким выходным сопротивлением уже не может обеспечить неискаженную форму напряжения возбуждения модулятора. Кроме того, такой подмодулятор, работающий в режиме АВ, потреблял бы сотни киловатт электроэнергии даже при отсутствии модуляции (в паузах).

В модуляционном устройстве передатчика "Кондор-1" применена принципиально новая схема подмодулятора - с переменным выходным сопротивлением [21], обеспечившая высокие качественные показатели. В новом подмодуляторе лампы работают в режиме С, а угол отсечки импульса анодного тока автоматически поддерживается равным углу отсечки импульса сеточного тока ламп модулятора. В паузах и при малых уровнях модуляции (до появления сеточных токов в модуляторе) он не потребляет электроэнергию (кроме накала ламп).

Впервые было найдено эффективное решение проблемы отрицательного влияния резонансных явлений на силлабических частотах на качество звучания передаваемой звуковой вещательной программы. Названная проблема не нашла достаточного отражения в литературе, не были разработаны методы оценки этого явления. В цепях питания н.ч. тракта, где величина потребляемого тока зависит от глубины модуляции, могут возникать значительные колебания питающих напряжений под воздействием токов силлабических частот (диапазон примерно 0-25 Гц), определяемых огибающей модулирующего звукового сигнала. При этом в процессе передачи звуковой программы (в динамическом режиме) нарушается установленный режим работы ламп модулятора -происходит кратковременный переход в перенапряженный режим, или (и) режим С, что вызывает большие искажения звукового сигнала.

Вместе с тем указанные искажения, замечаемые на слух в динамическом режиме, не фиксируются обычными методами измерения качественных показателей АМ-передатчиков. При разработке передатчика "Кондор-1" применен метод оценки влияния силлабических частот с помощью испытательного двухтонового сигнала с разницей частот, меняемой в пределах 0-25 Гц. Выявляемые таким методом искажения огибающей испытательного сигнала на выходе модулятора свидетельствуют об ухудшении качества звучания в динамическом режиме.

Обычно некоторое ослабление искажений, вызываемых резонансными явлениями на силлабических частотах, на передатчиках меньшей мощности достигалось уменьшением коэффициента использования анодного напряжения в модуляторе (что снижало его КПД) и применением на выходе выпрямителей резистивных шунтов, уменьшающих интенсивность резонансных явлений (что тоже снижало КПД). При уровне мощности передатчика "Кондор-1" такие решения оказались неэффективными.

Для решения проблемы в конечном счете потребовалось, изменив подходы к выбору параметров фильтров выпрямителя анодного питания и выпрямителя сеточного смещения ламп модулятора, применить простые, но эффективные меры. Резонансная частота фильтра анодного питания модулятора выбрана равной 35 Гц - посредине между силлабическими и модулирующими частотами (вместо 12-16 Гц, применяемых ранее). Одновременно в цепях выпрямителя сеточного смещения была исключена возможность возникновения резонансных явлений применением емкостной нагрузки (вместо L С-фильтра). В результате искажения, вызываемые резонансными явлениями на силлабических частотах, на передатчике "Кондор-1" были устранены полностью без снижения КПД.

С ростом мощности возрастают вероятность возникновения так называемых факелообразований в цепях канализации больших уровней в.ч. энергии и серьезность последствий этого явления, характерного для сверхмощных КВ-цепей. Внешне такое явление имеет вид вертикального факела раскаленных газов, возникающего на поверхности высокопотенциальных конструкций антенного фидера или цепей внутри передатчика. Оно про­воцируется наличием заострений и другими факторами, способствующими ионизации газов воздуха, возникает при касании поверхностей насекомыми, опавшими листьями деревьев и пр. Возникнув, такой факел может под воздействием потоков воздуха перемещаться вдоль поверхности до места, где происходит тепловое повреждение деталей или короткое замыкание.

Впервые на передатчике "Кондор-1" создана система быстродействующей защиты антенного фидера от факелообразований. Традиционные устройства фидерной защиты реагируют на его рассогласование и не защищают от факелообразований, так как возникновение факела обычно не вызывает в первоначальный момент больших рассогласований, а в ряде случаев может даже несколько улучшить согласование. Новая защита основана на фиксации самого факта изменения согласования антенного фидера по отношению к предыдущему его состоянию. Она оказалась весьма результативной.

Для уменьшения вероятности возникновения факелообразований конструкция типового четырехпроводного симметричного антенного фидера усовершенствована, уменьшена неравномерность плотности зарядов по периметру его сечения и этим увеличена электрическая прочность [23].

Впоследствии для передатчика "Кондор-1" был разработан и построен более надежный симметричный антенный фидер бикоаксиальный конструкции. В основу положены результаты исследований, выполненных по инициативе В.И. Селеманова на Кубанском эксплуатационном радиопредприятии. Для этого был построен экспериментальный однотактный КВ антенный фидер коаксиальной проволочной конструкции, а симметричный выход передатчика ПКВ-1000 переведен в однотактный с помощью устройства, аналогичного описываемому в [25].

Приняты меры к защите от факелообразований и пробоев внутри передатчика и предупреждению их возникновения. Введена фотозащита, реагирующая на вспышку света. Конструкция высокопотенциальных элементов выполнялась сглаженной, без острых кромок, с использованием в необходимых случаях защитных колец. Все эти решения обеспечили надежную работу передатчика.

На фотографии показан фрагмент ВКС, где можно увидеть некоторые из таких мер.

Проект реализован в Ангарском радиоцентре с использованием части оборудования и производственных площадей 1000-киловаттной радиостанции РВ-713. Строительно-монтажные работы были выполнены силами коллектива этого радиоцентра.

В апреле 1976 г . начались регулировочные работы. Процесс доведения опытного образца передатчика "Кондор-1" до требований технического задания, обеспечения надежной и качественной его эксплуатации при выходной мощности 2000 кВт продолжался в течение девяти месяцев. Работы велись в две смены.

Вся эта трудная и весьма интересная работа могла служить наглядным пособием для изучения закона диалектики перехода количества в качество. В процессе доработки оборудования уровень выходной мощности увеличивали постепенно, начиная от изученного значения 1,0 МВт. И каждая более высокая ступень осваиваемой мощности сопровождалась выявлением новых серьезных проблем.

В качестве примера можно привести разрушительное воздействие переходных процессов в относительно простых по электрической схеме цепях питания сверхмощного передатчика. Меры по ограничению переходных процессов, достаточные для передатчика ПКВ-1000, были изначально введены в схему питания передатчика "Кон­дор-1". Однако их оказалось недостаточно - при новом уровне мощности пробои сопровождались серьезными разрушениями радиоламп и деталей. Проведенные ис­следования и методы испытаний с имитацией пробоев при реальных величинах токов и напряжений и с ос-циллографированием переходных процессов позволили решить проблему [23]. Впервые было осуществлено эффективное демпфирование переходных процессов в столь мощном оборудовании без дополнительных потерь энергии, обеспечившее безаварийную работу передатчика "Кондор-1".

С ростом мощности усугубились проблемы, вызывае­мые так называемой синфазной волной в симметричном антенном фидере двухтактного КВ-передатчика. Суть проблемы заключается в том, что из-за остаточной асимметрии цепей передатчика, фидерного тракта и симметричной антенны всегда присутствует некая величина синфазной составляющей сигнала - синфазная волна. Вместе с тем синфазная волна не имеет активной нагрузки, и по этой причине в фидерном тракте возникают интенсивные резонансные явления. На резонансных частотах имеет место своего рода положительная обратная связь по синфазной волне - резонанс вызывает повышенную асимметрию нагрузки для передатчика, что, в свою очередь, приводит к увеличению уровня синфазной волны на его выходе. Для передатчика ПКВ-1000 такие резонансные явления вызывали серьезные затруднения, при мощности 2000 кВт система передатчик-фидер на частотах, совпадающих с резонансной, становилась неработоспособной.

Для читателей, не работавших с большими уровнями мощностей, хочу привести в качестве иллюстрации факт из личного опыта. В период настройки опытного образца передатчика ПКВ-1000 в Талдомском радиоцентре при работе на частоте, близкой к резонансной для синфазной волны, однажды возникла высокочастотная дуга в месте плохого контакта в металлоконструкции, размещенной на кирпичной стене и заземляющей внешнюю оболочку экрана бикоаксиального фидера передатчика на выходе из здания. В короткий срок на полу помещения образовалась большая лужа из расплавленного кирпича, стекавшего по стене от места горения дуги, хотя при этом происшествии режим передатчика и отдаваемая мощность практически не изменились - относительная величина отвлеченной в.ч. энергии была для передатчика несущественной.

Решение проблемы синфазной волны потребовало совместных усилий специалистов по радиопередающим и по антенно-фидерным устройствам. Проводились многочисленные исследования и эксперименты. Большую исследовательскую работу провели Г.А. Клигер, Р.Ф. Гуревич, В.И. Комиссаров. В итоге проблема была решена устранением упоминаемой выше положительной обратной связи по синфазной волне. Разработанное для этих целей специальное развязывающее устройство по синфазной волне [25] было апробировано на опытном образце передатчика "Кондор-1" и затем нашло применение на ряде передатчиков меньшей мощности (ПКВ-1000, ПКВ-250 и др.). В конечном счете для передатчика "Кондор-1" разработано принципиально новое согласующе-симметрирующее устройство [26], объединившее функции развязки по синфазной волне и согласования по противофазной волне.

При поиске решений потребовалось внести многократные изменения в схему и конструкцию передатчика. Вся работа по изготовлению и монтажу уточняемых схемных и конструктивных решений выполнялась специалистами Ангарского радиоцентра под руководством В.Г. Грушунова быстро и качественно. Ведущие специалисты радиоцентра принимали непосредственное участие и в регулировочных работах (В.Г. Грушунов и др.).

Работы в Ангарском радиоцентре по умощнению до 2000 кВт антенно-фидерных устройств осуществлялись под руководством А.Г. Проничева. Важную роль в достижении положительного результата всех работ сыграли организаторские способности руководителя радио-центра Л.М. Логинова.

Накопленный к тому времени опыт внедрения ПКВ-1000 показал, что осуществление сверхмощных передатчиков КВ-диапазона требует обеспечения высокой повторяемости конструктивных и схемных решений, точности изготовления узлов и деталей. Все имевшие место случаи снижения надежности или ухудшения параметров передатчика ПКВ-1000 были связаны с допущенными отклонениями и устранялись восстановлением конструкции или параметров схемы по чертежам разработчиков. Еще более важным было обеспечение высокой повторяемости при изготовлении передатчиков "Кондор-1".

Для решения этой задачи в 1976 г . была достигнута межведомственная договоренность об организации производства передатчика "Кондор-1" после завершения его разработки на специализированном заводе промышленности средств связи.

Поэтому на заключительном этапе регулировочные работы на передатчике осуществлялись совместно со специалистами НПО им. Коминтерна (Т.Г. Хвиливицкий и др.). В зале возле передатчика стояли чертежные кульманы, за которыми работали специалисты конструкторского подразделения этого научно-производственного объединения, разрабатывая необходимую для промышленного производства конструкторскую документацию по фактическому исполнению опытного образца передатчика "Кондор-1". На фотографии виден этот зал и опытный образец передатчика после его ввода в постоянную эксплуатацию.

В тот же период активную работу проводили специалисты НПО "Светлана" (под руководством И. С. Либмана), помогая созданию передатчика "Кондор-1". Разработанный ранее триод ГУ-65А имел стеклянный баллон. Спаи стекла с металлом на верхних частотах КВ-диапазона из-за высоких удельных потерь перегревались. Временное решение этой проблемы было найдено разработчиками передатчика применением специальных эластичных радиаторов, устанавливаемых на спаи с использованием теплопроводной пасты. Специалисты НПО "Светлана" эффективно и в короткий срок решили эту проблему, заменив стеклянный баллон на керамический без изменения других элементов и характеристик лампы. Так появилась модификация триода ГУ-65А, названная ГУ-88А, позволившая расширить верхнюю границу рабочих частот.

Велась интенсивная работа, направленная на уменьшение уровня внутриламповой генерации, возникающей в этих лампах на частоте собственного кольцевого резонанса (порядка 600 МГц). Из-за этого снижалась электрическая прочность ламп, сокращался срок их службы.

В результате исследований, проведенных совместными усилиями всех участников работ, была установлена прямая зависимость интенсивности внутриламповой генерации от эмиссионных свойств управляющей сетки3. Велись поиски путей снижения эмиссионных свойств сетки. Экспериментальные образцы ламп ГУ-88А с применением нового сеточного антиэмиссионного покрытия (карбид циркония плюс платина), а также с сетками из пиролитического графита испытывались на опытном образце передатчика.

В итоге специалисты НПО "Светлана" создали впоследствии модификацию лампы ГУ-88А - триод ГУ-102А, в котором титановое покрытие управляющей сетки заменено на покрытие "карбид циркония плюс платина", что снизило термоэмиссию в 1,5 раза и соответственно увеличило допустимую рассеиваемую мощность на управляющей сетке при сохранении остальных характеристик и размеров лампы. Триоды ГУ-65А, ГУ-88А и ГУ-102А взаимозаменяемы.

В целом работы по созданию передатчика "Кондор-1" завершились в декабре 1976 г . успешным принятием в постоянную эксплуатацию сверхмощной КВ-радиостанции РВ-713 и опытного образца этого уникального по своим характеристикам КВ-передатчика "Кондор-1" мощностью 2000 кВт, предназначенного для высококачественного АМ-радиовещания на большие расстояния в диапазоне частот 5,8 - 22 МГц.

Создание передатчика "Кондор-1" - это результат коллективного творческого труда десятков специалистов различных предприятий и ведомств.

Следует отметить, что мощность радиостанции РВ-713, используемой для радиовещания на страны Юго-Восточной Азии и Австралию, менялась неоднократно. Первоначально эта КВ-радиостанция имела мощность 500 кВт, и продолжительность радиовещания на Австралию составляла всего один час в сутки. Считалось, что в Австралии не проявляют интереса к нашему радиовещанию, так как отсутствовали письма в редакцию от слушателей, обычно сопровождающие такое вещание. В 1973 г . мощность передатчика увеличили до 1000 кВт, однако это ничего не изменило, писем от радиослушателей по-прежнему не было. В 1977 г . после увеличения мощности до 2000 кВт ситуация существенно изменилась - из Австралии стали поступать письма от радиослушателей, и в короткий срок продолжительность радиовещания увеличили с 1 до 10 часов в сутки.

Таким образом, результаты эксплуатации радиостанции РВ-713 с передатчиком "Кондор-1" явились экспериментальным подтверждением правильности выбора уровня мощности 2000 кВт для КВ-радиовещания в южном направлении с двумя отражениями от ионосферы

Строительство сверхмощных КВ-радиовещательных станций требовало повышенных капиталовложений. Тем не менее, к концу 80-х годов в сети радиовещательных станций страны работало уже четыре передатчика "Кон­дор-1", два из них были изготовлены в заводских условиях НПО им. Коминтерна.

Примечания

1. В реальном режиме передатчика "Кондор-1" срок службы лампы ГУ-65А (ГУ-88А) увеличен до 4000 часов за счет квалифици­ рованной эксплуатации, основанной на периодическом контроле величины термотоков управляющей сетки и изъятии из эксплуатации ламп с повышенным значением термотоков [15].

2.В то время не разрешалось публиковать в открытой печати сведения, раскрывающие уровень мощности. Авторы пользовались термином "передатчики большой мощности".

3.Внутриламповая генерация присуща не только лампам большой мощности. Так, вскрытия вышедших из строя тетродов фирмы Siemens типа RS2068СL, используемых в 10-киловаттных ЧМ-радио-вещательных передатчиках NR410R1 фирмы Rohdе&Schwarz, пока-зали такие же разрушительные действия внутриламповой генерации, как и на триодах ГУ-88А при их работе в условиях интенсивной внутриламповой генерации. Стало очевидно, что причиной неболь¬шого срока службы тетродов RS2068СL в передатчике NR410R1 является внутриламповая генерация. Так как у этих ламп испарение антиэмиссионного покрытия сетки начинается со стороны, обращен¬ной к катоду, основной мерой увеличения срока их службы является уменьшение напряжения накала до нижнего предела допустимых значений - такая мера оказалась результативной.

Литература

• 14. Буряк В.Г. О возможности получения от лампы ГУ-65А мощности 0,5 МВт на несущей при анодной модуляции. Отчет по работе. ГКРУ Минсвязи СССР, 1974.
• 15. Бурданов А.К. Оценка работоспособности мощных генера­торных ламп по величине термотока сетки// Вестник Ассо- циации "Радио". - 1990, № 2.
• 16. Буряк В.Г., Хвиливицкий Т.Г. Радиовещательные КВ пере- датчики большой мощности// Электросвязь. - 1979. - № 8.
• 17. Буряк В.Г., Хвиливицкий Т.Г. Выходные контурные системы КВ передатчиков большой мощности. Построение, расчет, настройка// Электросвязь. - 1979. - № 2.
• 18. Буряк В.Г. Расчет относительного уровня гармоник на выходе передатчика// Вестник Ассоциации "Радио". - 1993. - № 1(9).
• 19. Буряк В.Г., Хвиливицкий Т.Г. Паразитные процессы в усили­ тельных каскадах КВ передатчиков большой мощности// Электросвязь. - 1978. - № 2.
• 20. АС 1089696 (СССР). Буряк В.Г., Глушко М.М., Хвиливицкий Т.Г. Устройство для защиты электровакуумного прибора. Опубл. в бюлл. "Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки". - 1984. - № 16.
• 21. Буряк В.Г., Хвиливицкий Т.Г. П-контур в качестве согласующего устройства коротковолнового передатчика большой мощности// Электросвязь. - 1978. - № 7.
• 22. Буряк В.Г., Буряк Е.И., Тихонов Л.Н. Подмодулятор с переменным выходным сопротивлением// Электросвязь. -1981.- №7.
• 23. Белоусов СП, Говорков И.Т., Гуревич Р.В., Клигер Г.А., Кузнецов В.Д. Анализ проволочных фидерных линий// Элек¬тросвязь. - 1975. - № 5.
• 24. Буряк В.Г., Ходоров Ю.Э. Ослабление переходных процессов в цепях питания радиовещательных передатчиков большой мощности// Электросвязь. - 1979. - № 5.
• 25. Буряк В.Г., Гуревич Р.В., Клигер Г.А., Комиссаров В.И. Устройство развязки по синфазной волне для передатчиков типа ПКВ-500// Электросвязь. - 1988. - № 1.
• 26. АС 1149384 (СССР). Буряк В.Г., Гуревич Р.В., Клигер Г.А., Комиссаров В.И., Хвиливицкий Т.Г., Эскин Н.А. Согласующе-симметрирующее устройство. Опубл. в бюлл. "Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки". - 1985, № 13.

часть 4

Статья помещена в музей 11-15 октября 2006 года