同軸開關控制電路的設計與實現(xiàn)

何 云 全穎鴻 陸成奇

一、臺站主備發(fā)射機倒機流程

在廣西廣播電視桂林分中心的二三級發(fā)射臺站中，每個頻點都配備了主備兩臺發(fā)射機，同軸開關負責切換主備發(fā)射機信號發(fā)送至天線。在一部發(fā)射機出現(xiàn)故障或日常檢修需進行倒機時，系統(tǒng)自動進入倒機流程，如圖1所示。主控電腦向采集器發(fā)出倒機指令或者按下倒機按鈕后，控制電路動作，同軸開關電機開始轉動，采集器PD口隨即開始檢測同軸開關是否轉動到位。在未檢測出到位信號前，電機繼續(xù)通電轉動，發(fā)射機不啟動。在檢測出到位信號后，電機斷電停止轉動，同時開關控制器接通發(fā)射機電源，發(fā)射機啟動，至此倒機完成。

圖1 系統(tǒng)倒機流程

二、倒機不成功案例分析與處理

（一）故障現(xiàn)象

在全州轉播臺，出現(xiàn)過主控電腦下發(fā)倒主機指令后，同軸開關能夠轉動到位，但主備機到位指示燈同時微弱亮起（應只亮主機到位指示燈），采集器PD口同時檢測到主備機到位信號（應只檢測到主機到位信號），導致系統(tǒng)無法開啟主發(fā)射機，對安全播出造成了巨大影響。

（二）故障分析

當時接線電路如圖2所示，以檢測倒換主機到位信號電路為例（檢測倒換備機到位信號的電路原理相同）。當?shù)怪鳈C到位時，同軸開關的聯(lián)動桿會壓下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，組成到位信號采樣回路。采集器24V、主機到位指示燈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，內部的發(fā)光二極管工作，進而集電極與發(fā)射極導通，PD1-AD網絡從5V被拉低到0V，系統(tǒng)采集到該電平跳變后判定同軸開關轉動到位，主機到位指示燈D1亮起。

圖2 優(yōu)化前的PD口采集到位信號電路

主控電腦下發(fā)倒機指令后同軸開關能正常轉動，說明采集器通信電路部分和同軸開關的電機是好的，關鍵在于采集器PD口為何同時檢測到主備機到位信號。

（三）故障處理

用萬用表測量PD1-AD和PD2-AD網絡電平，均為0V，而正常情況下PD2-AD應為高電平5V，故重點查找PD2-AD被拉低到0V的原因。

萬用表測量U2的1腳得0.7V，說明U2的輸入端已得電并工作，電氣性能是好的。往前排查，測量穩(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，測量其阻值為2.4kΩ，即R6也正常。繼續(xù)測量D2左側對地電阻，即R1對地電阻，發(fā)現(xiàn)為160kΩ左右，而R1正常阻值只有270Ω，嚴重偏離了正常值。將R1從電路板上焊下來測量阻值，顯示為無窮大，知其已被燒壞。于是，重新?lián)Q上一個新的270Ω的電阻后，故障現(xiàn)象消失，倒機恢復正常。

至此，造成倒機時D1、D2同時微弱亮起，采集器PD口同時檢測到主備機到位信號的原因已找到，即R1燒壞，阻值由 270Ω 變?yōu)闊o窮大，使 R1、D2、R6、Z2、U2的并聯(lián)回路阻抗增大，繼而抬高D1、D2中間點電平。D1、D2又是由兩個正負極性相反、并聯(lián)的二極管封裝構成，從整個燈來看，并不具備真正意義的二極管單向導電性，D1、D2中間點的電壓可通過 D2、R6、Z2送到U2的1腳，進而U2動作，拉低了PD2-AD電平，造成了采集器PD口同時檢測到主備機到位信號的故障現(xiàn)象。

三、控制電路設計與優(yōu)化

為使同軸開關能更可靠地工作，避免出現(xiàn)上述倒機不成功現(xiàn)象，我們重新設計了如圖3所示的控制電路。其中K1、K2、K3、K4為同軸開關自帶的行程開關，觸點1為公共端，觸點2為常閉，觸點3為常開。M是雙繞組電機，通過給不同的繞組供電可實現(xiàn)電機的正轉和反轉。

圖3 同軸開關控制電路

（一）電路特色

此同軸開關控制電路具有以下三大特色。

1.PD口采集到位信號電路徹底獨立開來，到位指示燈采用單向發(fā)光二極管，利用二極管的單向導電性，避免了限流電阻損壞而導致倒機不成功問題。

2.具備繼電器自鎖功能。如J1C通電后，J1繼電器動作，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。在電機正轉繞組通電轉動后，內部磁通發(fā)生變化，根據(jù)楞次定律，在反轉繞組會產生220V的感應電動勢。感應電動勢若直接加在線包J2C上會造成J2B斷開，進而造成線包J1C斷電，最終導致J1A斷開，電機停止轉動，倒機不成功。為此，在J2C與行程開關K4之間串入J1B，J1、J2兩繼電器便形成互鎖，確保同一時刻只有一個繼電器通電，規(guī)避了感應電動勢造成倒機不成功問題。

（二）電路原理

以倒主機為例（倒備機原理相同），當按下Ks1或者采集器JK1閉合時，220V送到行程開關K1的公共端觸點1，經K1常閉觸點2送到J2B和電機的正轉繞組。正轉繞組得電后便開始向倒主機方向轉動，同時線包J1C得電。在J1C得電后使J1A閉合，即應用繼電器自鎖功能，保證了在Ks1按鈕彈起或JK1跳開后電機有持續(xù)電路通過。

隨著電機轉動到位，聯(lián)動桿同時壓下K1和K2，K1的公共端與常閉端斷開，即切斷了J1C和正轉繞組的220V電源，電機隨即停止轉動，J1A斷開。此外，采集器的24V經K2的常開端送給PD口到位信號采集電路和主機到位指示燈D1，向采集器提供到位信號和點亮D1。

四、PCB電路板實現(xiàn)

同軸開關要實現(xiàn)切換主備發(fā)射機接通天線功能，涉及到同軸開關、啟動按鈕、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、維護難度大。為此，我們根據(jù)圖3的原理圖，采用Alitum Designer電路設計軟件制作了雙層PCB電路板，實物見圖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標準連接器接口，大大降低了接線難度。該PCB電路板可滿足三個頻點發(fā)射機同時切換主備天線，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，推進了臺站的標準化建設工程。

圖4 同軸開關PCB電路板

PCB設計時需要注意，電機屬感性負載，啟動電流是額定電流的4～7倍。TZKG-III型同軸開關的額定電流約為90mA，則啟動電流峰值可達到630mA左右。參照“保險絲的熔斷電流是額定電流的2倍”的行業(yè)標準和臺站維護經驗，本控制電路的保險管選用250V/2A型。

PCB覆銅走線的載流能力與銅箔厚度、容許溫升、覆銅導線寬度有關，具體公式為I=KT0.44A0.75，其中I為導線容許的最大電流，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到4A，電氣性能穩(wěn)定，抗腐蝕性強，完全滿足了同軸開關控制電路的正常工作需求。

五、結語

繼電器的自鎖和互鎖是同軸開關控制電路正常工作的關鍵部分，也是日常維護值得注意的地方。另外同軸開關控制電路涉及的設備和元件較多，電機啟動電流大，工作原理相對復雜，在臺站維護時，熟悉完整的原理圖并理解其原理，不斷探索和總結經驗，是快速解決問題和保障安全播出的關鍵。