摘要：敘述了機(jī)場(chǎng)30KVA 恒流調(diào)光器的基本結(jié)構(gòu)，介紹了帶變壓器負(fù)載雙向可控制電流F/V, V/F 檢測(cè)方法，并針對(duì)原有電流平衡檢測(cè)電路中存在的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種抗干擾實(shí)用檢測(cè)電路。
機(jī)場(chǎng)助航燈是為飛機(jī)提供跑道方位、爬升、下滑角度等信息，保證飛機(jī)安全起降，保障乘客生命財(cái)產(chǎn)安全的重要助航設(shè)備。機(jī)場(chǎng)助航燈調(diào)光器是根據(jù)機(jī)場(chǎng)天氣情況與起降需要，調(diào)節(jié)燈的亮度的控制裝置，它一方面在電網(wǎng)和負(fù)載阻抗允許范圍內(nèi)變化時(shí)能維持主電路電流恒定不變，另一方面能夠切換助航燈亮度級(jí)別并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)穩(wěn)定。航空運(yùn)輸安全特殊性要求調(diào)光器抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定可靠，同時(shí)具有開路、過流、短路保護(hù)以及開路保護(hù)措施。
1 調(diào)光器的基本結(jié)構(gòu)
調(diào)光器是一個(gè)以80196 單片機(jī)為核心的典型閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用控制強(qiáng)電回路電流的辦法來實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具亮度的控制。系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，其中，80196 單片機(jī)為系統(tǒng)的核心模塊，其兼負(fù)數(shù)字調(diào)節(jié)器與系統(tǒng)控制、調(diào)度功能于一身，系統(tǒng)利用80196 單片機(jī)的高速輸入/輸出作為可控硅的相位同步和可控硅的觸發(fā)信號(hào)，利用80196 的10 位A/D 轉(zhuǎn)換器作為系統(tǒng)的電流/電壓輸入接口 , 系統(tǒng)設(shè)有數(shù)字電流控制器，并由此構(gòu)成一電流閉環(huán)系統(tǒng)。另外，系統(tǒng)還有電流電壓檢測(cè)模塊、可控硅觸發(fā)脈沖隔離放大模塊、相位同步和接觸器控制模塊、顯示及鍵控模塊等，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 調(diào)光器的基本結(jié)構(gòu)
2 電流平衡檢測(cè)原理及其電路改進(jìn)
由于助航燈沿跑道分布安裝，變電房到機(jī)場(chǎng)盡頭的輸送線達(dá)2~ 4 公里，必須采用升壓送電和降壓用電的方法。變壓器工作的內(nèi)在特點(diǎn)要求可控硅電路正負(fù)觸發(fā)脈沖必須嚴(yán)格對(duì)稱，否則極易造成變壓器正負(fù)半周電流不平衡，而有等效直流通過變壓器，導(dǎo)致磁路飽和，勵(lì)磁電抗趨于0 而產(chǎn)生強(qiáng)大電流，等效于電源短路，如不及時(shí)檢修，會(huì)使熔斷器燒斷，晶閘管、變壓器燒壞，造成大面積長時(shí)間停電事故，嚴(yán)重威脅著日益繁忙的飛行運(yùn)輸安全，因此迫切需要一種在線檢測(cè)變壓器正負(fù)電流平衡技術(shù)。另外，由于控制現(xiàn)場(chǎng)是在高壓大電流電網(wǎng)附近，存在著強(qiáng)大電磁干擾，同一現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)大功率調(diào)光器投入運(yùn)行或停機(jī)，各種繼電器、接觸器經(jīng)常離合開關(guān)，電源中形成沖擊電流，干擾可能從各種途徑竄入控制系統(tǒng)，造成檢測(cè)信號(hào)失真，產(chǎn)生誤動(dòng)作，程序" 跑飛" , 為了確保系統(tǒng)持續(xù)安全運(yùn)行，在完成一定功能的硬件設(shè)計(jì)中必須要考慮抑制各種干擾。
2. 1 噪聲干擾耦合分析
干擾耦合主要有以下幾種方式。
1） 靜電耦合：噪聲經(jīng)雜散電容耦合到電路中，如圖2- a 所示。En 為干擾源，Cm 為寄生電容，Zi 為干擾輸入阻抗。
2） 電磁耦合：干擾經(jīng)互感作用耦合到電路中，如圖2- b 所示。In 為干擾電流，M 為兩電路互感。
3） 共阻抗耦合：干擾電流經(jīng)兩個(gè)以上電路之間共有阻抗耦合到電路中，常見公共地線連接如圖2- c所示。
圖2 干擾耦合的幾種方式
4） 漏電流耦合：由于絕緣不良干擾經(jīng)絕緣電流耦合到電路中如圖2- d 所示。
以上四種干擾中，靜電耦合、電磁耦合與干擾噪聲頻率成正比。電網(wǎng)中高頻噪聲含量越高，耦合干擾越大，它們共同特點(diǎn)是共地才能耦合。噪聲、干擾從電源、空間、過程通道竄入，我們面臨最困難的是過程通道干擾問題。
2. 2 原有電流平衡檢測(cè)法的電路及其缺點(diǎn)
如圖3 所示，為了充分利用80196 的A/D 轉(zhuǎn)換功能，原有檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)思路是將電流信號(hào)經(jīng)變壓器采集成小信號(hào)電壓，用二極管截取正（ 或反） 半周，放大再經(jīng)有效值轉(zhuǎn)換器AD536 轉(zhuǎn)換后，再放大、調(diào)整輸出電阻，由80196A/D 采集再作正負(fù)周電流比較。
圖3 原有的平衡檢測(cè)電路
由于80196 數(shù)字地與一外圍電路模擬地相連，外圍各環(huán)節(jié)都有可能接收干擾，那么噪聲可能沿A/D 電路竄入主機(jī)，同時(shí)主機(jī)也可能直接耦合噪聲，經(jīng)常由于干擾而"死機(jī)".
2. 3 改進(jìn)正負(fù)電流檢測(cè)法與電路
為了隔離干擾，我們將電流、電壓檢測(cè)和I/O 接口電路與主機(jī)用光電隔離器隔開，就是微計(jì)算機(jī)由獨(dú)立電源供電，而A/D 轉(zhuǎn)換，I/O 接口由另一臺(tái)電源供電，它們之間沒有公共地線，防止數(shù)字電路直接與干擾耦合；光電隔離器輸入輸出非線性關(guān)系，不能正確反映電流電壓信號(hào)大小，但它需足夠的電能才能傳送信號(hào)，并且只能傳送頻率小于10KHZ 以下的信號(hào)，故能進(jìn)一步抑制外圍電路干擾。同時(shí)我們采用V/F、F/V變換技術(shù)。如圖4 所示。AD536 產(chǎn)生的電壓信號(hào)經(jīng)V/F 變換器LM331 轉(zhuǎn)化為頻率脈沖信號(hào)，通過光電隔離器，形成同頻率信號(hào)經(jīng)反向器整形再由F/V 變換電路再轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)高頻濾波、放大送入80196中的A/D 轉(zhuǎn)換電路的輸入端。V/F 變換器LM331 是將輸入直流電壓U1 變換后，輸出頻率脈沖信號(hào)（ 頻率為fout ）頻率與電壓成正比。這種變換使直流電壓傳送變成脈沖信號(hào)傳送方式，其優(yōu)點(diǎn)首先是可經(jīng)光電隔離器后才輸送給微機(jī)系統(tǒng)，可以有效地去掉磁場(chǎng)干擾信號(hào)和共模干擾信號(hào)；其次各種大功率電機(jī)電器啟動(dòng)、停止時(shí)產(chǎn)生的干擾電壓信號(hào)雖能通過電源或電源地線耦合進(jìn)LM331 的輸入端，會(huì)使輸出脈沖的波形發(fā)生畸變或會(huì)影響脈沖幅值大小，但對(duì)脈沖頻率影響甚微，實(shí)際上也去掉來自電源、地線的干擾。
圖4 改進(jìn)后的檢測(cè)電路
2. 4 LM331 原理用法簡介
單片式V/F、F/V 變換器LM331 是美國National Semiconductor 公司產(chǎn)品，該芯片能在單或雙電源下工作，線性度可達(dá)0. 01% , 有較高的溫度穩(wěn)定性，脈沖輸出兼容所有邏輯輸出形式電路，功率小，動(dòng)態(tài)范圍寬，價(jià)格便宜。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖5 所示。
能隙基準(zhǔn)電路產(chǎn)生1. 9V 直流電壓，送到雙腳，雙腳外接Rs 形成基準(zhǔn)電流IR = 1.9Rs , 輸入比較器的輸入電壓VIN 與VX 比較，當(dāng)VIN > VX , 啟動(dòng)單脈沖定時(shí)器并導(dǎo)通頻率輸出晶體管和開關(guān)電流源，定時(shí)器定時(shí)周期t 0= 1. 1RtCt , 在這個(gè)周期中電流IR 向CL 充電，使VX 上升，當(dāng)VX 上升至VX> VIN ,電流IR 關(guān)斷，定時(shí)器自行復(fù)位，同時(shí)CL 逐漸放電直到VX< VIN 為止，然后比較器再次啟動(dòng)定時(shí)器，開始下一循環(huán)； 流入CL 電流嚴(yán)格等于VX/RL≈VIN/RL。
根據(jù)正反充電電荷量相等平衡原理，輸出信號(hào)頻率與輸入電壓嚴(yán)格成比例。
實(shí)際電路如圖6 所示，其不同點(diǎn)在輸入端加R1、C1 高頻濾波電路去前級(jí)高頻干擾； CL 、RL 原接地端加上偏移調(diào)節(jié)電路，確保精確接地； 2、6 腳接可調(diào)電阻，以調(diào)整輸出頻率到合適點(diǎn)； 輸出腳3 端接上拉電阻，可適合TTL、CMOS 輸入要求。
圖6 V/F 實(shí)用電路
圖7 F/V 轉(zhuǎn)換電路
如圖7 所示F/V 實(shí)用電路，輸出電壓為：
2. 5 改進(jìn)電路的優(yōu)點(diǎn)
光隔以前各點(diǎn)可能耦合干擾，如果在V/F 電路處輸入干擾信號(hào)，由于V/F 變換器的輸入端接有較大的濾波電容，一般脈沖能全部吸收掉，再者LM331 工作在積分狀態(tài)，干擾脈沖尖峰時(shí)間短（ 微秒級(jí)） , 其積分值可忽略不計(jì)； 再者V/F 變換輸出脈沖頻率與輸入電平平均值成正比，持續(xù)時(shí)間短的干擾脈沖對(duì)它無影響。光隔工作由電流驅(qū)動(dòng)，要消耗較大的電能，干擾脈沖也不能形成持續(xù)電流，無法影響光隔工作。如果偶爾有一干擾耦合到F/V 變換器前面，只會(huì)影響到1 個(gè)脈沖形成，誤差為% 1HZ, 而實(shí)際工作在V/F、F/V 工作在0~ 5KHZ 之間，輸出值幾乎不受影響。
2. 6 同步脈沖電路
為了知道采樣時(shí)間，必須交流電過0 時(shí)80196HSI 得到一觸發(fā)脈沖，電路如圖8 所示，OP-07 為一放大器。
3 結(jié)束語
該種調(diào)光器的早期產(chǎn)品因沒有采用上述抗干擾措施，穩(wěn)定性可靠性能較差； 調(diào)光器內(nèi)部一個(gè)線圈額定電流為40mA 的直流繼電器通電或斷電，有時(shí)會(huì)使調(diào)光器產(chǎn)生誤動(dòng)作，與調(diào)光器同一電源環(huán)境下的其它調(diào)光器、閃光燈、40 瓦以上的日光燈啟動(dòng)或停止工作，都會(huì)引起該調(diào)光器的錯(cuò)誤動(dòng)作或死機(jī)或程序？？ 跑飛等現(xiàn)象。本電路能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出正負(fù)相電流大小，使供電回路安全運(yùn)行得到了保證，同時(shí)該改進(jìn)電路基本將過程通道干擾隔離，連同系統(tǒng)已采用的單獨(dú)電源供電，屏蔽措施，使得控制系統(tǒng)主機(jī)得以連續(xù)運(yùn)行。 |
