За время моей радиолюбительской жизни у меня в коллекции собралось немало электронных приборов, которые привлекли мое внимание. Это редкие, необычные и просто интересные радиодетали и устройства. Хотел бы показать и рассказать о некоторых из них.
Первый из экспонатов это отражательный клистрон К-700-1. Это генератор СВЧ колебаний с частотой около 10 ГГц. Когда-то он трудился в качестве гетеродина в приемнике радиорелейной связи. Попал он ко мне уже отработавшим свой ресурс (а он довольно маленький) и списанным с пометкой в паспорте не «работает». По надписям на коробке был он создан в ноябре 1976 г., а его карьера закончилась в 1986 г. Так как в паспорте была отметка, что прибор неисправен, проверять это я не стал и просто убрал в шкаф. Недавно, во время очередной уборки, я наткнулся на него, и у меня возникла назойливая идея попробовать запустить эту интересную штучку.
Для начала несколько слов о том, что собой представляет клистрон.
Клистроны это сверхвысокочастотные электровакуумные генераторные устройства. Они являются близкими родственниками магнетронов, которые есть в каждой микроволновке. Только в магнетроне условия для возникновения генерации производится с помощью магнитного поля, а в клистроне с помощью электрического. Разновидностей клистронов довольно много: они отличаются по устройству системы электродов (пролетные или отражательные), по выходной мощности (малой, средней, большой) а также по способу изменения частоты (механический или электронный).
Основную часть информации я взял из книги «Отражательные клистроны» Бунин Г.Г., Васенькин В.А., серия Элементы радиоэлектронной аппаратуры. В ней отлично описана теория и принцип работы отражательных клистронов. Книга есть в свободном доступе в интернете, поэтому не буду переписывать её содержание, а просто выложу пару страниц из нее.
Частоту генерации можно менять в небольших пределах при помощи плунжера настройки, который меняет геометрические размеры резонатора. Для моего типа клистрона это можно делать ограниченное число раз, но существуют приборы, для которых это обычная процедура. Они применялись в лабораторных СВЧ генераторах, например Г4-9(ГСС-27), ГСС-28. Сейчас клистроны применяются там, где нужны большие мощности, в других областях их вытеснили более совершенные и менее прихотливые полупроводниковые приборы.
Каждый экземпляр устройства комплектовался паспортом, в котором была схема включения, таблица с параметрами, теоретическими и реально измеренными.
Также в паспорте подробно описана последовательность подачи питающих напряжений. Оказалось, то необходимо производить в строго определенном порядке, нарушение которого приводит к выходу из строя клистрона. Также выяснилось, что рабочий ресурс прибора довольно маленький — 300 часов без принудительного обдува и 500 часов с обдувом. Это примерно 20 суток непрерывной работы. Надежда на то, что «пациент» заработает, становилась все меньше, но по опыту я знал, что лампы могут проработать намного дольше, чем им положено по паспорту.
После изучения теории и паспорта устройства стало ясно, что для работы клистрона необходимы три напряжения питания:
- напряжение накала — 6,3 В.
- напряжение резонатора - +300 в. относительно катода
- напряжение отражателя - отрицательное относительно катода, регулируемое в пределах от 50 до 310 в.
Из вышеупомянутой книги выяснилось, что есть три основные схемы включения отражательных клистронов:
Первые два варианта хороши тем, что корпус клистрона (который соединен с резонатором) не находится под высоким напряжением. Но для них нужны источники питания с хорошей изоляцией между подогревателем и катодом, а в моей модели клистрона катод соединен с подогревателем. Поэтому я выбрал третий вариант включения. При этом на корпусе прибора будет напряжение +300 в., так что прикасаться к корпусу придется очень аккуратно. Хотя для кратковременного включения это не слишком большая проблема.
Также выяснилось, что напряжения питания при включении нужно производить в строго определенном порядке:
- Подаем напряжение накала и ждем прогрева лампы 1 мин.
- Подаем питание на резонатор. Напряжение не критично, главное чтобы оно было в пределах, указанных в паспорте — не менее 20 вольт и не более 400. Этим напряжением мы будем выводить клистрон на нужный режим.
- В последнюю очередь подаем напряжение резонатора +305 вольт.
Выключение производится в обратном порядке, но допускается одновременное отключение всех напряжений. Самое важное при этом даже кратковременно не допустить появления на отражателе положительного напряжения относительно катода. Это может привести к повреждению прибора, чего бы мне хотелось. Поэтому процесс включения буду производить вручную с помощью тумблеров.
Блок питания
Для получения всех нужных напряжений у меня было несколько вариантов.
- Подобрать готовый трансформатор от старой ламповой техники или перемотать более-менее подходящий. Из подходящих у меня был только ТСА-270. Перспектива таскать этого монстра не очень радовала. Намотка двух высоковольтных обмоток тоже. Да и со стабилизацией напряжений пришлось бы потрудиться.
- Переделать сетевой импульсный блок питания — это разборка импульсного трансформатора с хрупким ферритовым сердечником, риск попасть под сетевое напряжение или спалить силовые транзисторы.
- И вариант, на котором я остановился — импульсный преобразователь с низковольтным питанием на TL494.
Преобразователь собирался из того что нашлось в запасах, поэтому схема не совсем оптимальна, но для тестового запуска сгодится. Включение TL494 стандартное и особенностей не имеет. Трансформатор выполнен на ферритовом кольце, его размер выбран с большим запасом, чтобы не было проблем с размещением обмоток и не пришлось экономить на межобмоточной изоляции. Питание преобразователя производится от блока питания 15 вольт, потребляемый ток около 2 ампер. Стабилизация выходного напряжения заведена от обмотки накала.
Индикатор СВЧ колебаний
Но запитать это часть дела. Необходимо как-то зафиксировать наличие излучения частотой ~ 10 ГГц. Особая точность мне не нужна, поэтому подойдет простой пробник со стрелочным индикатором. Такой индикатор я собирал несколько лет назад.
В наличии у меня оказалось несколько СВЧ диодов Д405 (граничная частота как раз около 10 ГГц (λ=3 см)). Их я использовал по причине их высокой чувствительности. Так как работать с очень высокими частотами не планировал, конструкцией прибора особо не заморачивался. Несмотря на это индикатор получился довольно удачным. С его помощью я легко определял наличие (или отсутствие) колебаний в цифровых схемах, гетеродинах приемников СВ, КВ и УКВ. Кроме того этот индикатор «видел» излучение мобильного телефона и даже Wi-Fi роутера. Так что была надежда, что он позволит зафиксировать и излучение клистрона.
Ну что ж, пришло время попробовать включить моего подопытного.
Припаиваем все нужные провода, запоминаем, где какой тумблер, чтобы не перепутать очередность подачи напряжений и включаем преобразователь. Индикатор я разместил на небольшом расстоянии от выходного фланца. Ползунки резисторов, регулирующих напряжения на электродах клистрона выставил в среднем положении, окончательно настрою при подключенном приборе.
Следуя инструкции по включению, я выждал минуту, пока прогреется катод, и подал поочередно все нужные напряжения. Стрелка индикатора даже не дернулась, что и не удивительно. Нужно еще точно выставить все напряжения, которые указаны в паспорте. Сначала я выставил нужное напряжение на резонаторе +300 вольт резистором R2, а затем начал плавно регулировать напряжение на отражателе. Вдруг стрелка индикатора дернулась и зашкалила.
Отодвинув индикатор на большее расстояния, вращением резистора я нашел максимум излучения. Ширина рабочих зон довольно маленькая – небольшие изменения напряжения на отражателе приводят к резкому уменьшению мощности излучения, отсюда требование к стабилизации питающих напряжений.
Меняя напряжение отражателя в широких пределах, я обнаружил три зоны генерации при напряжениях 55, 114 и 207 вольт. Мощность излучения в первой рабочей зоне (55 вольт) была намного меньше, чем в двух других. Также видно, что напряжения рабочих зон кратны друг другу (погрешность связана с невысокой точностью измерения). Изменение напряжения резонатора на выходную мощность влияет не так сильно. Вне рабочих зон генерации нет совсем. Это полностью согласуется с теорией работы клистрона.
Так как длина волны генерируемых клистроном колебаний ~ 3 см., невозможно однозначно определить в какой точке мой несовершенный прибор производит измерение, он воспринимает волны всей своей конструкцией. Также выяснилось, что происходит многократная интерференция волн, т.к. малейшие движения руки и любых предметов на расстоянии ~ 30 см. от установки приводила к изменениям показаний индикатора (на этом принципе, кстати, основана работа СВЧ датчиков движения).
В паспорте прибора не указаны его мощность и рабочая частота. Учитывая, что КПД отражательных клистронов не превышает 10-15%, а потребляемая мощность (без учета накала) приблизительно 9,5 Вт., можно сказать, что выходная мощность излучения около 1 Вт. Частота, как мне когда-то сказали, примерно 10 ГГц.
Как выяснилось прибор, который отработал свой срок, был списан и пролежал более 30 лет оказался вполне работоспособным. К сожалению, измерить его параметры — частоту, мощность, стабильность их во времени, в домашних условиях довольно проблематично. Но провести некоторые интересные опыты с СВЧ волнами вполне возможно. Нужно будет усовершенствовать блок питания, и сделать более точный прибор для регистрации излучения. Планирую заняться этим в ближайшее время.
Благодарю всех, кто заинтересовался моей первой статьей. Надеюсь Вам было интересно.
