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EMC/EMI/ESD设计

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助航灯调光器的抗干扰实用检测电路

导读: 叙述了机场30KVA 恒流调光器的基本结构,介绍了带变压器负载双向可控制电流F/V, V/F 检测方法,并针对原有电流平衡检测电路中存在的缺点进行改进,提出了一种抗干扰实用检测电路。

  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

 

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