同轴开关控制电路的设计与实现

何 云 全颖鸿 陆成奇

一、台站主备发射机倒机流程

在广西广播电视桂林分中心的二三级发射台站中，每个频点都配备了主备两台发射机，同轴开关负责切换主备发射机信号发送至天线。在一部发射机出现故障或日常检修需进行倒机时，系统自动进入倒机流程，如图1所示。主控电脑向采集器发出倒机指令或者按下倒机按钮后，控制电路动作，同轴开关电机开始转动，采集器PD口随即开始检测同轴开关是否转动到位。在未检测出到位信号前，电机继续通电转动，发射机不启动。在检测出到位信号后，电机断电停止转动，同时开关控制器接通发射机电源，发射机启动，至此倒机完成。

图1 系统倒机流程

二、倒机不成功案例分析与处理

（一）故障现象

在全州转播台，出现过主控电脑下发倒主机指令后，同轴开关能够转动到位，但主备机到位指示灯同时微弱亮起（应只亮主机到位指示灯），采集器PD口同时检测到主备机到位信号（应只检测到主机到位信号），导致系统无法开启主发射机，对安全播出造成了巨大影响。

（二）故障分析

当时接线电路如图2所示，以检测倒换主机到位信号电路为例（检测倒换备机到位信号的电路原理相同）。当倒主机到位时，同轴开关的联动杆会压下K2，使COM端与CO端接通，采集器24V、限流电阻R4、稳压二极管Z1、光藕U1和接地端，组成到位信号采样回路。采集器24V、主机到位指示灯D1和限流电阻R6组成另一条回路。正常情况下，U1的1脚有电压输入时，内部的发光二极管工作，进而集电极与发射极导通，PD1-AD网络从5V被拉低到0V，系统采集到该电平跳变后判定同轴开关转动到位，主机到位指示灯D1亮起。

图2 优化前的PD口采集到位信号电路

主控电脑下发倒机指令后同轴开关能正常转动，说明采集器通信电路部分和同轴开关的电机是好的，关键在于采集器PD口为何同时检测到主备机到位信号。

（三）故障处理

用万用表测量PD1-AD和PD2-AD网络电平，均为0V，而正常情况下PD2-AD应为高电平5V，故重点查找PD2-AD被拉低到0V的原因。

万用表测量U2的1脚得0.7V，说明U2的输入端已得电并工作，电气性能是好的。往前排查，测量稳压二极管Z2的压降为2.7V，与其正常的稳压值一致，即Z2也是好的。将R6从电路板上焊下来，测量其阻值为2.4kΩ，即R6也正常。继续测量D2左侧对地电阻，即R1对地电阻，发现为160kΩ左右，而R1正常阻值只有270Ω，严重偏离了正常值。将R1从电路板上焊下来测量阻值，显示为无穷大，知其已被烧坏。于是，重新换上一个新的270Ω的电阻后，故障现象消失，倒机恢复正常。

至此，造成倒机时D1、D2同时微弱亮起，采集器PD口同时检测到主备机到位信号的原因已找到，即R1烧坏，阻值由 270Ω 变为无穷大，使 R1、D2、R6、Z2、U2的并联回路阻抗增大，继而抬高D1、D2中间点电平。D1、D2又是由两个正负极性相反、并联的二极管封装构成，从整个灯来看，并不具备真正意义的二极管单向导电性，D1、D2中间点的电压可通过 D2、R6、Z2送到U2的1脚，进而U2动作，拉低了PD2-AD电平，造成了采集器PD口同时检测到主备机到位信号的故障现象。

三、控制电路设计与优化

为使同轴开关能更可靠地工作，避免出现上述倒机不成功现象，我们重新设计了如图3所示的控制电路。其中K1、K2、K3、K4为同轴开关自带的行程开关，触点1为公共端，触点2为常闭，触点3为常开。M是双绕组电机，通过给不同的绕组供电可实现电机的正转和反转。

图3 同轴开关控制电路

（一）电路特色

此同轴开关控制电路具有以下三大特色。

1.PD口采集到位信号电路彻底独立开来，到位指示灯采用单向发光二极管，利用二极管的单向导电性，避免了限流电阻损坏而导致倒机不成功问题。

2.具备继电器自锁功能。如J1C通电后，J1继电器动作，J1A闭合，继续为线包J1C供电。J1A、J1B是J1继电器的两组触头，J1C是J1继电器的线包，J2继电器也类似。

3.具备继电器互锁功能。在电机正转绕组通电转动后，内部磁通发生变化，根据楞次定律，在反转绕组会产生220V的感应电动势。感应电动势若直接加在线包J2C上会造成J2B断开，进而造成线包J1C断电，最终导致J1A断开，电机停止转动，倒机不成功。为此，在J2C与行程开关K4之间串入J1B，J1、J2两继电器便形成互锁，确保同一时刻只有一个继电器通电，规避了感应电动势造成倒机不成功问题。

（二）电路原理

以倒主机为例（倒备机原理相同），当按下Ks1或者采集器JK1闭合时，220V送到行程开关K1的公共端触点1，经K1常闭触点2送到J2B和电机的正转绕组。正转绕组得电后便开始向倒主机方向转动，同时线包J1C得电。在J1C得电后使J1A闭合，即应用继电器自锁功能，保证了在Ks1按钮弹起或JK1跳开后电机有持续电路通过。

随着电机转动到位，联动杆同时压下K1和K2，K1的公共端与常闭端断开，即切断了J1C和正转绕组的220V电源，电机随即停止转动，J1A断开。此外，采集器的24V经K2的常开端送给PD口到位信号采集电路和主机到位指示灯D1，向采集器提供到位信号和点亮D1。

四、PCB电路板实现

同轴开关要实现切换主备发射机接通天线功能，涉及到同轴开关、启动按钮、指示灯、继电器、采集器PD口和JK口等，传统接法布线杂乱、可靠性低、维护难度大。为此，我们根据图3的原理图，采用Alitum Designer电路设计软件制作了双层PCB电路板，实物见图4。如此，元件可牢固地焊在电路板上，以电路板覆铜走线的形式取代之前元件间杂乱的接线，并留有3.81mm标准连接器接口，大大降低了接线难度。该PCB电路板可满足三个频点发射机同时切换主备天线，提高系统稳定性，推进了台站的标准化建设工程。

图4 同轴开关PCB电路板

PCB设计时需要注意，电机属感性负载，启动电流是额定电流的4～7倍。TZKG-III型同轴开关的额定电流约为90mA，则启动电流峰值可达到630mA左右。参照“保险丝的熔断电流是额定电流的2倍”的行业标准和台站维护经验，本控制电路的保险管选用250V/2A型。

PCB覆铜走线的载流能力与铜箔厚度、容许温升、覆铜导线宽度有关，具体公式为I=KT0.44A0.75，其中I为导线容许的最大电流，单位安培。K为修正系数，顶层和底层取0.48。T为最大温升，单位为摄氏度。A为覆铜截面积，单位MIL（100MIL=2.54mm）。本PCB电路板采用双层走线，覆铜走线宽度75MIL，铜箔厚度1oz（35um），双面阻焊工艺制作，综合承载电流能力达到4A，电气性能稳定，抗腐蚀性强，完全满足了同轴开关控制电路的正常工作需求。

五、结语

继电器的自锁和互锁是同轴开关控制电路正常工作的关键部分，也是日常维护值得注意的地方。另外同轴开关控制电路涉及的设备和元件较多，电机启动电流大，工作原理相对复杂，在台站维护时，熟悉完整的原理图并理解其原理，不断探索和总结经验，是快速解决问题和保障安全播出的关键。