机场30KVA恒流调光器的抗干扰实用检测电路的设计

机场助航灯是为飞机提供跑道方位、爬升、下滑角度等信息，保证飞机安全起降，保障乘客生命财产安全的重要助航设备。机场助航灯调光器是根据机场天气情况与起降需要，调节灯的亮度的控制装置，它一方面在电网和负载阻抗允许范围内变化时能维持主电路电流恒定不变，另一方面能够切换助航灯亮度级别并在规定时间内调节稳定。航空运输安全特殊性要求调光器抗干扰能力强，工作稳定可靠，同时具有开路、过流、短路保护以及开路保护措施。

1 调光器的基本结构

调光器是一个以80196 单片机为核心的典型闭环控制系统，系统采用控制强电回路电流的办法来实现对灯具亮度的控制。系统采用模块式结构，其中，80196 单片机为系统的核心模块，其兼负数字调节器与系统控制、调度功能于一身，系统利用80196 单片机的高速输入/输出作为可控硅的相位同步和可控硅的触发信号，利用80196 的10 位A/D 转换器作为系统的电流/电压输入接口 , 系统设有数字电流控制器，并由此构成一电流闭环系统。另外，系统还有电流电压检测模块、可控硅触发脉冲隔离放大模块、相位同步和接触器控制模块、显示及键控模块等，基本结构如图1所示。

图1 调光器的基本结构

2 电流平衡检测原理及其电路改进

由于助航灯沿跑道分布安装，变电房到机场尽头的输送线达2~ 4 公里，必须采用升压送电和降压用电的方法。变压器工作的内在特点要求可控硅电路正负触发脉冲必须严格对称，否则极易造成变压器正负半周电流不平衡，而有等效直流通过变压器，导致磁路饱和，励磁电抗趋于0 而产生强大电流，等效于电源短路，如不及时检修，会使熔断器烧断，晶闸管、变压器烧坏，造成大面积长时间停电事故，严重威胁着日益繁忙的飞行运输安全，因此迫切需要一种在线检测变压器正负电流平衡技术。另外，由于控制现场是在高压大电流电网附近，存在着强大电磁干扰，同一现场多台大功率调光器投入运行或停机，各种继电器、接触器经常离合开关，电源中形成冲击电流，干扰可能从各种途径窜入控制系统，造成检测信号失真，产生误动作，程序" 跑飞" , 为了确保系统持续安全运行，在完成一定功能的硬件设计中必须要考虑抑制各种干扰。

2. 1 噪声干扰耦合分析

干扰耦合主要有以下几种方式。

1） 静电耦合：噪声经杂散电容耦合到电路中，如图2- a 所示。En 为干扰源，Cm 为寄生电容，Zi 为干扰输入阻抗。

2） 电磁耦合：干扰经互感作用耦合到电路中，如图2- b 所示。In 为干扰电流，M 为两电路互感。

3） 共阻抗耦合：干扰电流经两个以上电路之间共有阻抗耦合到电路中，常见公共地线连接如图2- c所示。

图2 干扰耦合的几种方式

4） 漏电流耦合：由于绝缘不良干扰经绝缘电流耦合到电路中如图2- d 所示。

以上四种干扰中，静电耦合、电磁耦合与干扰噪声频率成正比。电网中高频噪声含量越高，耦合干扰越大，它们共同特点是共地才能耦合。噪声、干扰从电源、空间、过程通道窜入，我们面临最困难的是过程通道干扰问题。

2. 2 原有电流平衡检测法的电路及其缺点

如图3 所示，为了充分利用80196 的A/D 转换功能，原有检测电路的设计思路是将电流信号经变压器采集成小信号电压，用二极管截取正（ 或反） 半周，放大再经有效值转换器AD536 转换后，再放大、调整输出电阻，由80196A/D 采集再作正负周电流比较。

图3 原有的平衡检测电路

由于80196 数字地与一外围电路模拟地相连，外围各环节都有可能接收干扰，那么噪声可能沿A/D 电路窜入主机，同时主机也可能直接耦合噪声，经常由于干扰而"死机".

2. 3 改进正负电流检测法与电路

为了隔离干扰，我们将电流、电压检测和I/O 接口电路与主机用光电隔离器隔开，就是微计算机由独立电源供电，而A/D 转换，I/O 接口由另一台电源供电，它们之间没有公共地线，防止数字电路直接与干扰耦合； 光电隔离器输入输出非线性关系，不能正确反映电流电压信号大小，但它需足够的电能才能传送信号，并且只能传送频率小于10KHZ 以下的信号，故能进一步抑制外围电路干扰。同时我们采用V/F、F/V变换技术。如图4 所示。AD536 产生的电压信号经V/F 变换器LM331 转化为频率脉冲信号，通过光电隔离器，形成同频率信号经反向器整形再由F/V 变换电路再转化为电压信号，经高频滤波、放大送入80196中的A/D 转换电路的输入端。V/F 变换器LM331 是将输入直流电压U1 变换后，输出频率脉冲信号（ 频率为fout ） 频率与电压成正比。这种变换使直流电压传送变成脉冲信号传送方式，其优点首先是可经光电隔离器后才输送给微机系统，可以有效地去掉磁场干扰信号和共模干扰信号； 其次各种大功率电机电器启动、停止时产生的干扰电压信号虽能通过电源或电源地线耦合进LM331 的输入端，会使输出脉冲的波形发生畸变或会影响脉冲幅值大小，但对脉冲频率影响甚微，实际上也去掉来自电源、地线的干扰。

图4 改进后的检测电路

2. 4 LM331 原理用法简介

单片式V/F、F/V 变换器LM331 是美国National Semiconductor 公司产品，该芯片能在单或双电源下工作，线性度可达0. 01% , 有较高的温度稳定性，脉冲输出兼容所有逻辑输出形式电路，功率小，动态范围宽，价格便宜。其内部电路结构如图5 所示。

能隙基准电路产生1. 9V 直流电压，送到双脚，双脚外接Rs 形成基准电流IR = 1.9Rs , 输入比较器的输入电压VIN 与VX 比较，当VIN > VX , 启动单脉冲定时器并导通频率输出晶体管和开关电流源，定时器定时周期t 0= 1. 1RtCt , 在这个周期中电流IR 向CL 充电，使VX 上升，当VX 上升至VX> VIN ,电流IR 关断，定时器自行复位，同时CL 逐渐放电直到VX< VIN 为止，然后比较器再次启动定时器，开始下一循环； 流入CL 电流严格等于VX/RL≈VIN/RL。

根据正反充电电荷量相等平衡原理，输出信号频率与输入电压严格成比例。

实际电路如图6 所示，其不同点在输入端加R1、C1 高频滤波电路去前级高频干扰； CL 、RL 原接地端加上偏移调节电路，确保精确接地； 2、6 脚接可调电阻，以调整输出频率到合适点； 输出脚3 端接上拉电阻，可适合TTL、CMOS 输入要求。

图6 V/F 实用电路

图7 F/V 转换电路

如图7 所示F/V 实用电路，输出电压为：

2. 5 改进电路的优点

光隔以前各点可能耦合干扰，如果在V/F 电路处输入干扰信号，由于V/F 变换器的输入端接有较大的滤波电容，一般脉冲能全部吸收掉，再者LM331 工作在积分状态，干扰脉冲尖峰时间短（ 微秒级） , 其积分值可忽略不计； 再者V/F 变换输出脉冲频率与输入电平平均值成正比，持续时间短的干扰脉冲对它无影响。光隔工作由电流驱动，要消耗较大的电能，干扰脉冲也不能形成持续电流，无法影响光隔工作。如果偶尔有一干扰耦合到F/V 变换器前面，只会影响到1 个脉冲形成，误差为% 1HZ, 而实际工作在V/F、F/V 工作在0~ 5KHZ 之间，输出值几乎不受影响。

2. 6 同步脉冲电路

为了知道采样时间，必须交流电过0 时80196HSI 得到一触发脉冲，电路如图8 所示，OP-07 为一放大器。

3 结束语

该种调光器的早期产品因没有采用上述抗干扰措施，稳定性可靠性能较差； 调光器内部一个线圈额定电流为40mA 的直流继电器通电或断电，有时会使调光器产生误动作，与调光器同一电源环境下的其它调光器、闪光灯、40 瓦以上的日光灯启动或停止工作，都会引起该调光器的错误动作或死机或程序？？ 跑飞 等现象。本电路能够准确地检测出正负相电流大小，使供电回路安全运行得到了保证，同时该改进电路基本将过程通道干扰隔离，连同系统已采用的单独电源供电，屏蔽措施，使得控制系统主机得以连续运行。