同軸開(kāi)關(guān)控制電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何 云 全穎鴻 陸成奇

一、臺(tái)站主備發(fā)射機(jī)倒機(jī)流程

在廣西廣播電視桂林分中心的二三級(jí)發(fā)射臺(tái)站中，每個(gè)頻點(diǎn)都配備了主備兩臺(tái)發(fā)射機(jī)，同軸開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)切換主備發(fā)射機(jī)信號(hào)發(fā)送至天線。在一部發(fā)射機(jī)出現(xiàn)故障或日常檢修需進(jìn)行倒機(jī)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入倒機(jī)流程，如圖1所示。主控電腦向采集器發(fā)出倒機(jī)指令或者按下倒機(jī)按鈕后，控制電路動(dòng)作，同軸開(kāi)關(guān)電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，采集器PD口隨即開(kāi)始檢測(cè)同軸開(kāi)關(guān)是否轉(zhuǎn)動(dòng)到位。在未檢測(cè)出到位信號(hào)前，電機(jī)繼續(xù)通電轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)射機(jī)不啟動(dòng)。在檢測(cè)出到位信號(hào)后，電機(jī)斷電停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)開(kāi)關(guān)控制器接通發(fā)射機(jī)電源，發(fā)射機(jī)啟動(dòng)，至此倒機(jī)完成。

圖1 系統(tǒng)倒機(jī)流程

二、倒機(jī)不成功案例分析與處理

（一）故障現(xiàn)象

在全州轉(zhuǎn)播臺(tái)，出現(xiàn)過(guò)主控電腦下發(fā)倒主機(jī)指令后，同軸開(kāi)關(guān)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)到位，但主備機(jī)到位指示燈同時(shí)微弱亮起（應(yīng)只亮主機(jī)到位指示燈），采集器PD口同時(shí)檢測(cè)到主備機(jī)到位信號(hào)（應(yīng)只檢測(cè)到主機(jī)到位信號(hào)），導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法開(kāi)啟主發(fā)射機(jī)，對(duì)安全播出造成了巨大影響。

（二）故障分析

當(dāng)時(shí)接線電路如圖2所示，以檢測(cè)倒換主機(jī)到位信號(hào)電路為例（檢測(cè)倒換備機(jī)到位信號(hào)的電路原理相同）。當(dāng)?shù)怪鳈C(jī)到位時(shí)，同軸開(kāi)關(guān)的聯(lián)動(dòng)桿會(huì)壓下K2，使COM端與CO端接通，采集器24V、限流電阻R4、穩(wěn)壓二極管Z1、光藕U1和接地端，組成到位信號(hào)采樣回路。采集器24V、主機(jī)到位指示燈D1和限流電阻R6組成另一條回路。正常情況下，U1的1腳有電壓輸入時(shí)，內(nèi)部的發(fā)光二極管工作，進(jìn)而集電極與發(fā)射極導(dǎo)通，PD1-AD網(wǎng)絡(luò)從5V被拉低到0V，系統(tǒng)采集到該電平跳變后判定同軸開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)到位，主機(jī)到位指示燈D1亮起。

圖2 優(yōu)化前的PD口采集到位信號(hào)電路

主控電腦下發(fā)倒機(jī)指令后同軸開(kāi)關(guān)能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，說(shuō)明采集器通信電路部分和同軸開(kāi)關(guān)的電機(jī)是好的，關(guān)鍵在于采集器PD口為何同時(shí)檢測(cè)到主備機(jī)到位信號(hào)。

（三）故障處理

用萬(wàn)用表測(cè)量PD1-AD和PD2-AD網(wǎng)絡(luò)電平，均為0V，而正常情況下PD2-AD應(yīng)為高電平5V，故重點(diǎn)查找PD2-AD被拉低到0V的原因。

萬(wàn)用表測(cè)量U2的1腳得0.7V，說(shuō)明U2的輸入端已得電并工作，電氣性能是好的。往前排查，測(cè)量穩(wěn)壓二極管Z2的壓降為2.7V，與其正常的穩(wěn)壓值一致，即Z2也是好的。將R6從電路板上焊下來(lái)，測(cè)量其阻值為2.4kΩ，即R6也正常。繼續(xù)測(cè)量D2左側(cè)對(duì)地電阻，即R1對(duì)地電阻，發(fā)現(xiàn)為160kΩ左右，而R1正常阻值只有270Ω，嚴(yán)重偏離了正常值。將R1從電路板上焊下來(lái)測(cè)量阻值，顯示為無(wú)窮大，知其已被燒壞。于是，重新?lián)Q上一個(gè)新的270Ω的電阻后，故障現(xiàn)象消失，倒機(jī)恢復(fù)正常。

至此，造成倒機(jī)時(shí)D1、D2同時(shí)微弱亮起，采集器PD口同時(shí)檢測(cè)到主備機(jī)到位信號(hào)的原因已找到，即R1燒壞，阻值由 270Ω 變?yōu)闊o(wú)窮大，使 R1、D2、R6、Z2、U2的并聯(lián)回路阻抗增大，繼而抬高D1、D2中間點(diǎn)電平。D1、D2又是由兩個(gè)正負(fù)極性相反、并聯(lián)的二極管封裝構(gòu)成，從整個(gè)燈來(lái)看，并不具備真正意義的二極管單向?qū)щ娦裕珼1、D2中間點(diǎn)的電壓可通過(guò) D2、R6、Z2送到U2的1腳，進(jìn)而U2動(dòng)作，拉低了PD2-AD電平，造成了采集器PD口同時(shí)檢測(cè)到主備機(jī)到位信號(hào)的故障現(xiàn)象。

三、控制電路設(shè)計(jì)與優(yōu)化

為使同軸開(kāi)關(guān)能更可靠地工作，避免出現(xiàn)上述倒機(jī)不成功現(xiàn)象，我們重新設(shè)計(jì)了如圖3所示的控制電路。其中K1、K2、K3、K4為同軸開(kāi)關(guān)自帶的行程開(kāi)關(guān)，觸點(diǎn)1為公共端，觸點(diǎn)2為常閉，觸點(diǎn)3為常開(kāi)。M是雙繞組電機(jī)，通過(guò)給不同的繞組供電可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

圖3 同軸開(kāi)關(guān)控制電路

（一）電路特色

此同軸開(kāi)關(guān)控制電路具有以下三大特色。

1.PD口采集到位信號(hào)電路徹底獨(dú)立開(kāi)來(lái)，到位指示燈采用單向發(fā)光二極管，利用二極管的單向?qū)щ娦裕苊饬讼蘖麟娮钃p壞而導(dǎo)致倒機(jī)不成功問(wèn)題。

2.具備繼電器自鎖功能。如J1C通電后，J1繼電器動(dòng)作，J1A閉合，繼續(xù)為線包J1C供電。J1A、J1B是J1繼電器的兩組觸頭，J1C是J1繼電器的線包，J2繼電器也類似。

3.具備繼電器互鎖功能。在電機(jī)正轉(zhuǎn)繞組通電轉(zhuǎn)動(dòng)后，內(nèi)部磁通發(fā)生變化，根據(jù)楞次定律，在反轉(zhuǎn)繞組會(huì)產(chǎn)生220V的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)若直接加在線包J2C上會(huì)造成J2B斷開(kāi)，進(jìn)而造成線包J1C斷電，最終導(dǎo)致J1A斷開(kāi)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，倒機(jī)不成功。為此，在J2C與行程開(kāi)關(guān)K4之間串入J1B，J1、J2兩繼電器便形成互鎖，確保同一時(shí)刻只有一個(gè)繼電器通電，規(guī)避了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)造成倒機(jī)不成功問(wèn)題。

（二）電路原理

以倒主機(jī)為例（倒備機(jī)原理相同），當(dāng)按下Ks1或者采集器JK1閉合時(shí)，220V送到行程開(kāi)關(guān)K1的公共端觸點(diǎn)1，經(jīng)K1常閉觸點(diǎn)2送到J2B和電機(jī)的正轉(zhuǎn)繞組。正轉(zhuǎn)繞組得電后便開(kāi)始向倒主機(jī)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)線包J1C得電。在J1C得電后使J1A閉合，即應(yīng)用繼電器自鎖功能，保證了在Ks1按鈕彈起或JK1跳開(kāi)后電機(jī)有持續(xù)電路通過(guò)。

隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到位，聯(lián)動(dòng)桿同時(shí)壓下K1和K2，K1的公共端與常閉端斷開(kāi)，即切斷了J1C和正轉(zhuǎn)繞組的220V電源，電機(jī)隨即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，J1A斷開(kāi)。此外，采集器的24V經(jīng)K2的常開(kāi)端送給PD口到位信號(hào)采集電路和主機(jī)到位指示燈D1，向采集器提供到位信號(hào)和點(diǎn)亮D1。

四、PCB電路板實(shí)現(xiàn)

同軸開(kāi)關(guān)要實(shí)現(xiàn)切換主備發(fā)射機(jī)接通天線功能，涉及到同軸開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)按鈕、指示燈、繼電器、采集器PD口和JK口等，傳統(tǒng)接法布線雜亂、可靠性低、維護(hù)難度大。為此，我們根據(jù)圖3的原理圖，采用Alitum Designer電路設(shè)計(jì)軟件制作了雙層PCB電路板，實(shí)物見(jiàn)圖4。如此，元件可牢固地焊在電路板上，以電路板覆銅走線的形式取代之前元件間雜亂的接線，并留有3.81mm標(biāo)準(zhǔn)連接器接口，大大降低了接線難度。該P(yáng)CB電路板可滿足三個(gè)頻點(diǎn)發(fā)射機(jī)同時(shí)切換主備天線，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，推進(jìn)了臺(tái)站的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工程。

圖4 同軸開(kāi)關(guān)PCB電路板

PCB設(shè)計(jì)時(shí)需要注意，電機(jī)屬感性負(fù)載，啟動(dòng)電流是額定電流的4～7倍。TZKG-III型同軸開(kāi)關(guān)的額定電流約為90mA，則啟動(dòng)電流峰值可達(dá)到630mA左右。參照“保險(xiǎn)絲的熔斷電流是額定電流的2倍”的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和臺(tái)站維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，本控制電路的保險(xiǎn)管選用250V/2A型。

PCB覆銅走線的載流能力與銅箔厚度、容許溫升、覆銅導(dǎo)線寬度有關(guān)，具體公式為I=KT0.44A0.75，其中I為導(dǎo)線容許的最大電流，單位安培。K為修正系數(shù)，頂層和底層取0.48。T為最大溫升，單位為攝氏度。A為覆銅截面積，單位MIL（100MIL=2.54mm）。本PCB電路板采用雙層走線，覆銅走線寬度75MIL，銅箔厚度1oz（35um），雙面阻焊工藝制作，綜合承載電流能力達(dá)到4A，電氣性能穩(wěn)定，抗腐蝕性強(qiáng)，完全滿足了同軸開(kāi)關(guān)控制電路的正常工作需求。

五、結(jié)語(yǔ)

繼電器的自鎖和互鎖是同軸開(kāi)關(guān)控制電路正常工作的關(guān)鍵部分，也是日常維護(hù)值得注意的地方。另外同軸開(kāi)關(guān)控制電路涉及的設(shè)備和元件較多，電機(jī)啟動(dòng)電流大，工作原理相對(duì)復(fù)雜，在臺(tái)站維護(hù)時(shí)，熟悉完整的原理圖并理解其原理，不斷探索和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，是快速解決問(wèn)題和保障安全播出的關(guān)鍵。