飛機客艙4041系列頂燈功能原理介紹及故障分析

張偉亮　宋新建　李政

摘 要：文章介紹了飛機客艙4041頂燈的功能原理，維修過程中遇到的故障，以及對于各種故障的排故過程分析。

關鍵詞：變壓整流；并聯共振；亮暗控制

4041系列頂燈是飛機客艙照明系統的一個部件，該頂燈為客艙提供直接照明。根據在飛機客艙安裝位置和照明需求的不同，4041系列頂燈可提供不同的尺寸和9～45 W功率安裝使用。

1 頂燈概述

頂燈工作的功能部件為鎮流器，內部含有一個集成電路板。電路板上有一個矩形接頭作為飛機電源接口，為頂燈電路提供電源和信號控制。頂燈有3種不同設計類型用于飛機上的安裝，這3種設計類型只是機械結構不同，功能完全相同。

4041系列頂燈有一個透明的柔性保護罩用于保護燈管，防止燈管破裂劃傷。有些頂燈還安裝有一個獨立的夜燈。每個頂燈點亮一根熒光燈管，燈管可以直接按壓裝入頂燈燈座和移除，不用旋轉。兩個燈座有兩個平行的凹槽確保燈管末端的引腳正確插入安裝，燈座內部兩個平行移動的彈簧鎖扣固定燈管，燈座的觸點彈簧將燈管引腳插入鎖定后壓緊。頂燈左側燈座有釋放按鈕，按下按鈕后燈座鎖扣移動到一側釋放燈管末端的引腳。

頂燈鎮流器工作電源為115 VAC/400 Hz交流電。燈管在不同模式下2 s內完成啟動和點亮。頂燈有3種工作模式：

BRIGHT（亮模式）：燈管正常亮度。

DIM 1（暗模式1）：65%的燈管正常亮度。

DIM 2（暗模式2）：25%的燈管正常亮度。

2 工作原理

2.1 系統原理概述

飛機的交流輸入電源115 V/400 Hz經過濾波和尖峰抑制電路后，整流成800 Hz的脈動直流。功率因數控制器將整流后的脈動直流升壓到+230 Vdc供給并聯振蕩電路。并聯振蕩電路將230 V直流電壓轉換成燈管電流為200～230 mA的正弦波。根據亮度模式不同，燈管電流不同，25%亮度模式燈管電流為30～50 mA；65%亮度模式燈管電流為115～140 mA；全亮模式燈管電流為200～230 mA。

電路系統框如圖1所示。

2.2 電路原理

2.2.1 濾波和尖峰保護電路

濾波和尖峰保護電路的作用是防止115 V/400 Hz交流電源的電磁干擾。電感L1和電容C1，C2抑制共模噪聲，L2，C3抑制差模噪聲。可變電阻R13用于防止尖峰脈沖。

2.2.2 整流電路

整流橋電路包含二極管V1、V2、V3、V4，整流電路的作用是將115 V/400 Hz交流電整流成一個800 Hz的脈動直流電壓。橋式整流的負端是內部電路的參考地PWR GND。

2.2.3 功率因數控制器和限流器電路

該電路的主要元件有升壓電感 L3、二極管V50、升壓開關V11和芯片N1。該電路將功率從預熱階段的4 W上升到50 W點亮70英寸燈管。

電路工作過程為：當V11閉合時，電感L3充電電流線性增大，直到400 Hz正弦波的預設值。然后V11關斷，電流線性減小并經過二極管V50對電容C14充電，直到電流值減小到0然后開關重新閉合。電阻R918是電流感應元件，其信號經過電阻R8反饋到控制電路N1。反饋控制回路由電阻R9、R10、R11組成，將輸出電壓分壓到合適的電壓級別，電容C10、C11和電阻R53對信號進行濾波。電阻R5對場效應管V11柵極限流和抑制干擾振蕩。并聯二極管V24確保開關V11關斷時柵極快速放電。R2和V7限制電容C14的最大沖擊電流為800 mA。

2.2.4 并聯振蕩電路

并聯共振電路為燈管提供恒流。共振電路由變壓器T2，電容C17、C18，晶體管V14、V15 組成。芯片N2的管腳1和2輸出交替方波信號，使V14、V15交替導通，形成高壓振蕩。電路的共振頻率小于50 kHz。二極管V16、V17用于防止電流同時流入變壓器 T2初級線圈的兩部分。

2.2.5 燈管電路

燈管電路的作用是連接燈管到共振電路上，選擇燈管的亮度模式和其它特殊操作。燈光亮度控制電路和限流電路由兩個繼電器K1、K2和電感L6、L7組成。

在預熱期間，繼電器K1吸合，K2斷開，燈管的燈絲經過電容C21、C22連接到變壓器T2的次級線圈。電流不能流過燈管，但加熱燈絲。燈管點亮需要順序進行以下步驟。

（1）N2停止振蕩電路的振蕩。繼電器K1、K2根據100%、65%，25%的照明要求設置開關位置。

（2）N2重新啟動振蕩電路振蕩。完成后燈管兩端出現共振電路最大電壓，燈管點亮。全亮模式兩個繼電器關斷，L6線圈與L7主線圈并聯。65%亮度模式K1關斷、K2閉合。電管電流流經電感L6。25%亮度模式兩個繼電器都吸合，L6和L7的所有3個線圈串聯。

繼電器開關時中斷共振電路振蕩。這能防止繼電器觸點欠載。電容C19防止整流燈管與電壓器T2和電感L3、L4飽和。工作過程中拆除燈管會在燈管兩端產生高壓。電阻R20和R21將高壓鉗位，直到控制電路探測到故障并停止工作。

2.2.6 燈管電路控制電路介紹

電感L4的副線圈用于探測振蕩電路的過零點。為了補償場效應管V14、V15的開關時間和N2的延時，在L4的副線圈，經過電阻R14、R15，R17和電容C15額外增加了一個電壓。變壓器T2上的回掃電壓被反饋，補償瞬間的電壓變化。二極管V37、V39，電阻R78以及電容C31和二極管V30限制有效地回掃電壓。電阻R19、電容C40，場效應管V36為N2提供零點探測的正確相位。如果功率因素限制器輸出超限，比較器N4停止N2的振蕩。界限值由電阻R74、R16、R56、R60決定。隔離電阻R12連接比較器和IC N2，電容C41防止電路振蕩。電容C16設置同步頻率范圍。

2.2.7 內部電源

變壓器T1的次級線圈2-3和線圈4-5從濾波的115 V/400 Hz輸入電源產生兩個相互隔離的內部電源。

（1）功率因數控制器電源。

電壓器T1的次級線圈4-5輸出經二極管V8和V9整流。電阻R50、R51、R52設置穩壓電源芯片N3的輸出電壓。電路的參考地為PWR GND。

（2）內部電源。

電壓器T1的次級線圈2-3輸出經二極管V12和V23整流，電容C39濾波。三極管V33和V34以及齊納二極管V35是前置串聯調節器。正常模式下電阻R28和V35的結點電壓拉低。芯片U11提供5 VDC（VCC）到D1和D2。電容C30緩沖短暫中斷。

當115 V/400 Hz通電時進行上電復位。電源經過V26和電阻R44對電容C4充電。該信號作為U1的一個輸入信號。電阻R42保持三極管V26關斷。D1的管腳4輸出信號到三極管V43經光耦U2-1和電阻R43開關三極管V26。

2.2.8 亮度模式控制接口

變壓器T1次級線圈7-8腳輸出經過V21、V22整流，穩壓管V10為亮度模式控制電路提供電壓。暗亮信號的參考地是NEUTRAL（AC地）。

2.2.9 控制邏輯

微控制器D1采集并處理所有的輸入信號并控制燈的工作。場效應管V27將變壓器T2的溫度傳感器參考GND漂移。二極管V5，電阻R40，電容C35和芯片D2-A探測和整形輸入電壓的過零點信號。R39監測部件的溫度。R34-R38將燈管電壓分壓到合適級別，經二極管V13整流和電容C33濾波。電阻R59監測的燈絲狀態信號，該電路用于探測更換燈管或燈絲斷路，電阻R57和R58用于信號分壓，C36用于信號濾波。

3 故障現象及分析

頂燈組件的常見故障為燈不亮，絕緣測試不合格，亮度模式不可調節，預熱期間燈亮。故障分析如下。

3.1 絕緣電阻測試不合格

導致絕緣失效的原因主要有：（1）電路板和殼體匹配不好。檢查電路板和殼體的絕緣可以排除。（2）部件接頭損壞。檢查并更換接頭，故障排除。（3）電容C1、C2損壞。更換C1，C2，故障排除。

3.2 保險F1燒斷

燈不亮時，首先使用萬用表歐姆檔測量電路板保險F1。如果保險F1通路，則繼續參照電路板圖分析查找故障原因。如果保險F1開路，建議不要直接通電測試。應拆下電路板保護蓋，檢查電路板上是否有燒損的元件，聞下是否存在電路板燒焦的氣味。保險F1燒斷的情況如下。

（1）使用萬用表二極管檔位測量發現整流橋二極管V1-V4擊穿短路，導致電源短接，瞬時電流過大，燒毀保險。更換整流二極管和保險后，通電燈亮。

（2）拆開電路板聞到元件燒焦氣味，檢查發現電容C17或C18管腳燒損，電容擊穿損壞。通常這種情況下同時測量一下V14和V15，發現V14、V15的G-S短接。更換V14和V15，電容C17、C18和保險F1，燈管開始照明，故障排除。

（3）場效應管V14和V15柵極與源極之間短路，導致F1燒損，更換V14和V15F1后通電燈亮。

3.3 C14上無230 VDC

測量電容C14兩端應為230 VDC電壓。實測只有150 V左右或更小，判斷為升壓元件故障。升壓元件包括N1、L3、V11。首先檢查線圈L3的輸入端電壓約為150 VDC，輸出端無電壓，可以判斷為線圈開路，更換線圈L3故障排除。若線圈輸出端有電壓，檢查芯片N1管腳7有無方波信號，如果有信號，則繼續檢查場效應管V11是否開關正常。另外二極管V50開路或場效應管V7故障也能導致測量無230 VDC，可根據實際情況測量檢查。以上檢查可以確定哪個元件故障，可針對故障件更換。

3.4 變壓器T2無振蕩輸出

測量T2線圈是否開路，如果開路則進行更換。如果線圈正常，用示波器檢查T2初級線圈有無振蕩波形。如果只有230 VDC電壓無振蕩波形，則用萬用表檢查與振蕩有關的元件V14，V15，V16，V17，用示波器檢查N2管腳1和2的輸出輸出方波。常見故障為場效應管V14，V15的G-S極短路，更換后燈亮。

3.5 無15 VDC電壓

15 V電壓主要由變壓器T1的次級線圈輸出整流提供。15 VDC為內部控制電路提供電壓。測量無15 VDC，可以首先檢查T1線圈是否開路，如果開路更換T1。如果線圈測試正常，檢查IC N3輸出端2腳有無15 VDC，輸入端3腳有無15-25 VDC，可以判斷N3故障。對于另外一路內部電源，使用萬用表檢查V33和V34的B-C極，可以判斷三極管狀態，如果故障將其更換。

3.6 預熱期間燈管照亮

正常燈管預熱期間應不亮。預熱期間燈管兩端高電壓經線圈L7的3-5腳，繼電器K2的管腳11-13，繼電器K1的管腳9-13，繼電器K2的管腳6-4到GND，燈管兩端無高壓，燈管預熱期間不亮。實際排故測試發現預熱期間燈管兩端電壓109 V左右，燈管兩端電壓未經過繼電器到GND。判斷為繼電器K1或K2動作錯誤，經實際測量K2繼電器線圈有電壓，確定為K2吸合，高電壓經L7兩個線圈和L6線圈加到燈兩端導致燈亮，預熱時K2不應吸合。繼電器K2動作電壓受三極管V47控制，三極管導通信號來自D1的管腳6，使用萬用表直流電壓檔位測量控制器D1的管腳6電壓為0 V，正常情況下V47不應導通，實際測量發現三極管C-E之間壓降很低，判斷故障為三極管V47損壞，導致通路。更換三極管V47后，通電燈管預熱期間不亮，預熱結束后燈管亮起。

3.7 燈管亮度模式不能切換

燈組件有3種亮度模式，可提供全亮、65%亮度（DIM1）和25%亮度（DIM2）。

維修過程中出現亮度模式不能切換，判斷為繼電器K1或K2動作狀態不對導致。可通過測量控制器D1的管腳5和管腳6的信號，以及三極管V47和V38的開關狀態。如果芯片D1的管腳輸出信號正常，三極管開關正常則可以排除控制器D1和三極管V47，V38的故障，從而確定是繼電器K1或K2故障。更換繼電器K1、K2，通電測試，亮度模式切換測試正常。

4 結語

頂燈安裝在飛機客艙，可為客艙提供不同亮度模式的照明。鎮流器將輸入交流115 VAC/400 Hz濾波整流后升壓為+230 V直流，然后經過振蕩電路，在T2次級線圈產生燈管照明需要的交流電壓。造成燈管不亮有多種原因，應從前端電源輸入端入手逐級排查電路故障。在修理中應使用萬用表和示波器重點檢查各個電壓及波形，并區分參考地的不同，選對參考地段。檢查控制芯片的工作電壓是否正常，芯片的重要輸出管腳信號，以及三極管的好壞。對于亮暗模式不可控故障可針對繼電器的觸點開關狀態排故，比較容易確定故障原因。