Βλάβη στην X-30 της Diamond

Ξαφνικά η Diamond Χ-30 που είχαμε στην ταράτσα για μια δεκαετία, παρουσίασε στάσιμα 2,5:1 σε ολόκληρη την μπάντα των VHF. Στο μεγαλύτερο εύρος των UHF ήταν 1:1 έως και 1,5:1 δηλαδή κανονική λειτουργία, όπως προβλέπεται από τον κατασκευαστή. Η κάθοδος είναι το Η-100, έχει μήκος 10 μέτρα, με κονέκτορες N type στα άκρα του.

Για το πρόβλημα υποπτευθήκαμε τον μοναδικό  πυκνωτή 5,6 pF που υπάρχει στο κύκλωμα LC στη βάση της κεραίας. Σε αυτήν υπάρχει μία μικρή βίδα τύπου Άλεν που συγκρατεί πάνω στη βάση τον κονεκτορα και κατά συνέπεια ολόκληρο το στοιχείο εκπομπής. Ξεβιδώνοντας την βγαίνει όλο το στοιχείο μέσα από τον πλαστικό σωλήνα. Βλέποντας τον πυκνωτή χωρίς να γίνει μέτρηση ότι είναι στο 500 Volts καταλάβαμε ότι ίσως είναι ακατάλληλος για την ισχύ των 50 Watts. Το ωμόμετρο δεν έδειξε βραχυκύκλωμα. Προφανώς ο πυκνωτής είναι κατεστραμμένος και έχει αλλοιωθεί η εσωτερική του δομή.

Δεν έχουμε εκπέμψει με περισσότερα από 50 Watts λόγω της διατιθέμενης ισχύος του πομποδέκτη.  Χρησιμοποιούμε αυτήν την κεραία στο QTH μας λόγω της μορφολογίας του εδάφους, όπως έχει αναλυθεί εκτενώς στο δωρεάν βιβλίο μας «κεραίες ραδιοερασιτεχνών». 

Χαρακτηριστικά της DIAMOND Χ-30

• Εύρος συχνοτήτων: 144/430MHz (2m/70cm).
• Απολαβές: 3,0dB (144MHz), 5,5dB (430MHz).
• Μέγιστη ισχύς: 150W.
• Σύνθετη αντίσταση: 50Ω.
• Στάσιμα: λιγότερα από 1.5:1.
• Μήκος: 1.3 μέτρα.
• Μήκος radial: περίπου 19 εκατοστά. 

Η τάση που αναπτύσσεται πάνω στον πυκνωτή σε ένα κύκλωμα προσαρμογής RF εξαρτάται από:

• την ισχύ εκπομπής (Watts),
• τη συχνότητα λειτουργίας,
• τη χωρητικότητα (pF), και
• το Q (συντελεστή ποιότητας) του κυκλώματος, ο οποίος στα κυκλώματα προσαρμογής κεραιών λειτουργεί ως "πολλαπλασιαστής" τάσης.

Σε γραμμές μεταφοράς 50 Ω χωρίς συντονισμό, η τάση RMS υπολογίζεται απλά από τον τύπο:

Όμως, μέσα στη βάση της Diamond X-30 έχουμε ένα κύκλωμα συντονισμού (LC) που ανυψώνει την τάση για να τροφοδοτήσει το στοιχείο της κεραίας. 

Τα 3 βήματα του υπολογισμού

Για να βρεθεί η τάση αιχμής (Peak Voltage) που δέχεται ο πυκνωτής, ακολουθείται η εξής διαδικασία:

1. Υπολογισμός της Σύνθετης Αντίστασης (X_c) του Πυκνωτή

Αν θέλουμε να υπολογίσουμε την αντίσταση του πυκνωτή σε κάποια συχνότητα : 

2. Υπολογισμός της Τάσης RMS (V_rms) στο κύκλωμα

Αν η κεραία λειτουργούσε ως απλό φορτίο 50 Ω, η τάση στα 50Watts θα ήταν:

Επειδή όμως το πηνίο και ο πυκνωτής λειτουργούν ως μετασχηματιστής τάσης για να προσαρμόσουν την υψηλή εμπέδηση του στοιχείου της κεραίας (που στα VHF μπορεί να είναι από 500Ω έως 1000Ω στο άκρο τροφοδοσίας), η τάση πολλαπλασιάζεται επί τη ρίζα του λόγου μετασχηματισμού:

Αν η εμπέδηση στο σημείο εκείνο φτάνει τα 800Ω, η τάση RMS γίνεται:

 

3. Μετατροπή σε Τάση Αιχμής (V_peak)

Οι πυκνωτές καταστρέφονται από την τάση αιχμής (Peak) και όχι από την RMS. Η καθαρή τάση αιχμής για ημιτονοειδές σήμα είναι:

 

Ο κρίσιμος παράγοντας: Στάσιμα κύματα (SWR) και Στατικός Ηλεκτρισμός

Αν η κεραία έχει στάσιμα (όπως το 2:1), η τάση αιχμής μπορεί να διπλασιαστεί λόγω των επιστρεφόμενων κυμάτων, ξεπερνώντας εύκολα τα 500V.

Επιπλέον, ο αέρας και η βροχή δημιουργούν στατικά φορτία πάνω στον πλαστικό σωλήνα της κεραίας, τα οποία κατεβαίνουν στο κύκλωμα προσαρμογής ως αιχμές χιλιάδων Volt (DC spikes). Αυτός είναι ο κύριος λόγος που ο εργοστασιακός πυκνωτής των 500V "παρέδωσε πνεύμα". 

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: Για εκπομπή με  50 Watts ισχύ εξόδου, ας δούμε τους ακριβείς αριθμούς με βάση τον τρόπο που λειτουργεί το κύκλωμα προσαρμογής (matching network) της Diamond X-30 στα VHF.

Στο κύκλωμα της X-30, ο πυκνωτής των 5,6 pF δεν βλέπει απλά τα 50 Ω του πομποδέκτη, αλλά βρίσκεται στο σημείο όπου το πηνίο ανυψώνει την τάση για να τροφοδοτήσει το κατακόρυφο στοιχείο (το οποίο συμπεριφέρεται ως EFHW (end-fed ημι-κύμα) στα VHF, με εμπέδηση γύρω στα 1000 Ω). 

Ο Ακριβής Υπολογισμός για τα 50 Watts:

Τάση στη γραμμή (50 Ω):

Η τάση RMS που βγαίνει από τον πομποδέκτη μας στα 50 Watts είναι:

Ανύψωση Τάσης στην Κεραία (λόγω μετασχηματισμού εμπέδησης):

Επειδή το κύκλωμα μετασχηματίζει τα 50 Ω σε περίπου 1000 Ω για το στοιχείο εκπομπής, η τάση RMS πάνω στον πυκνωτή ανεβαίνει κατά τη ρίζα αυτού του λόγου: 

Καθαρή Τάση Αιχμής (Peak Voltage):
Η μέγιστη τάση του ημιτόνου RF (χωρίς στάσιμα) είναι:

Η επίδραση των Στασίμων (SWR 2:1):
Όταν η κεραία έχει στάσιμα 2:1, η τάση αιχμής αυξάνεται λόγω των ανακλώμενων κυμάτων κατά έναν συντελεστή. Στη χειρότερη φάση του κύματος, η τάση αιχμής μπορεί να φτάσει τα:

 

Συμπέρασμα: Γιατί κάηκε ο 500V.

Όπως αποδεικνύεται από τους υπολογισμούς μας με 50 Watts εκπομπής και στάσιμα 2:1, η τάση άγγιξε τα 474 Volts, δηλαδή οριακά κάτω από το όριο των 500V του παλιού πυκνωτή. Αν προσθέσουμε σε αυτό:

Τη θερμότητα που αναπτύσσεται κατά την εκπομπή (που μειώνει την αντοχή του πυκνωτή).

Μια μικρή αιχμή στατικού ηλεκτρισμού από τον αέρα.

Ο πυκνωτής ήταν μαθηματικά βέβαιο ότι θα "τρυπήσει" ηλεκτρικά (dielectric breakdown), αλλάζοντας τη χωρητικότητά του στα 14 nF (14.000 pf) που μετρήσαμε.

Τι να προσέξουμε στην κόλληση:

Να μην είναι ψυχρή και να είναι καθαρές οι επαφές του κονέκτορα.

Βάζοντας έναν πυκνωτή 5,6 pF στα 1 kV (1000V) ή 2 kV, θα έχουμε πλέον ένα τεράστιο περιθώριο ασφαλείας (double plus safety margin) και δεν θα ξανακαεί ποτέ στα 50 Watts.

Εμείς αγοράσαμε έναν κεραμικό 5,6 pFστα 6 kVolts και το πρόβλημα έπαψε να υπάρχει...

 

ΠΡΟΣΟΧΗ: Για τα 150 Watts αντοχής που δίνει ο κατασκευαστής τη συγκεκριμένη κεραία ο πυκνωτής υπολογίζεται θεωρητικά ότι πρέπει να είναι:

• Τάση RMS στη γραμμή (50 Ω): 86,6 Volts
• Τάση RMS στο κύκλωμα προσαρμογής (VHF Matching): ~387 Volts
• Καθαρή Τάση Αιχμής (Peak Voltage χωρίς στάσιμα): 548 Volts
• Μέγιστη Τάση Αιχμής με Στάσιμα 2:1 (SWR Peak): 822 Volts

Δηλαδή χρειαζόμαστε ένα πυκνωτή 5,6 ή 4,7 ή 6,8  pF στα 2 με 3 kVolts