Harris Z10CD调频发射机电源系统运行原理和故障分析

Harris Z10CD FM transmitter power system operation principle and fault analysis

韩靖海 夏一晨 姜俊

（上海东方明珠传输有限公司）

摘要：美国Harris Z10CD调频发射机在国内各发射台站使用十分普及，电源是发射机系统的重要组成部分，也是故障发生率较高的部分。本文将主要阐述美国Harris公司生产的 Z10CD调频发射机电源工作原理以及说明与电源工作有关的主要控制，并对电源部分的各种故障现象作分析判断。 关键词：功放电源 低压电源 电源控制 典型故障分析 0 引言美国Harris Z10CD调频发射机是东方明珠发射台于2008年对调频发射机系统更新时引进的机型。与台内同厂家的PT-10型发射机相比，该型号发射机具有占用空间小，高模块化设计、数据采集、故障信息采用可视化LCD诊断窗口等特点。这些特点为实际的播出、维护工作提供了较多便利。特别是电源部分的自动优化设计，能使发射机在相对较低的工作电压条件下，输出最大功率，并能保证整台发射机的稳定可靠地运行。本文将从发射机电源结构入手，详细阐述电源的工作原理以及各控制信号的作用。1 电源结构及功能综述Harris Z10CD调频发射机电源分为功放电源部分和低压电源部分。1.1 功放电源结构以及功能综述图1中所示发射机功放电源基本结构。电源由四个独立变压器组成，分别为PS1、PS2，PS3、PS4。四个电源变压器被分成两组工作。各变压器初级可接成三相三线（197~250VAC、三相四线（343~432VAC）、单相（198~250VAC）等工作方式。在我国一般使用三相四线制。各变压器次级有两个星形接法的绕组，如图2所示，每个绕组可输出四档不同的直流电压：48V、50V、52V、54V。各端接有可控硅用于控制次级绕组各抽头以选通输出不同的电压。每个电源变压器为8块功放提供电源，其中PS1、PS2为功放组Z-Plane A、Z-Plane B以及IPA_AB提供工作电压。PS3、PS4为功放组Z-Plane C、Z-Plane D以及IPA_CD提供工作电压。

图1 功放电源结构

图2 变压器连接

1.2 低压电源结构以及功能综述发射机的低压电源部分安装在发射机主接触器旁。该部分电源由三个继电器和三组整流滤波电路组成，其主要作用是为发射机提供开机控制以及各控制器板卡的直流电源供电。低压部分输出的直流电压有：+20V，-20V，+10V。2 电源各部分工作原理2.1 功放电源部分工作原理功放电源是发射机电源的主要部分，是功放模块稳定工作的重要保证。功放电源由整流板、输出滤波、电源的启动和关闭控制电路组成。2.1.1 整流板和输出滤波整流板和输出滤波是功放电源的核心，主要负责输出功放工作电压和电流，其中整流板还作为低压电源变换通路为发射机各控制板卡提供电源。如前所述，功放电源输出有四个档级。根据发射机资料上所述：在额定功率输出情况下，功放工作电压是52V，实际运行中，电源电压输出值和发射机输出总功率成正比。例如，我台发射机在开8kW条件下，功放工作电压是48V。由于发射机有自动优化功能，电压值的选择由发射机电源控制器来完成，人为无法调整，除非在电源非重要故障排除后，手动优化电源配置，此时电源输出将会切换到原先电压值。如图2所示，电压输出原理是利用可控硅控制输出，可控硅不导通则该路直流电压将无接地端而无法正常输出。当发射机选择某一路电压输出时，电源控制器将发出驱动信号至可控硅的控制端，使其导通，从而使变压器抽头末端接地，构成了完整电压源回路，使直流电压正常输出。各次级输出合路并经过电感电容滤波后送至发射机功放模块。在实际电路中，输出滤波电容上并联了一个大功率电阻，经分析，该电阻作用有二：1、整流板中使可控硅控制端送电线路构成完整的直流回路，使驱动信号能够正常加到可控硅控制端；2、在发射机关机后，该电阻作为滤波电容的放电回路。该电阻在发射机运行时的重要性不言而喻，如果损坏将严重影响发射机工作的安全性，所以在对发射机设备进行维护检修时应对其多加关注。查发射机资料可知，该电阻的额定功率是3W。根据计算可知，该电阻所需承受的功率是1.9W，在设计上完全符合电源放电要求。2.1.2 功放电源的启动和关闭（电路图请参见图3）由于发射机处在关机状态下低压电源仍然工作，所以只要发射机总电源不断，电路中+10VB将始终存在。未开机前?Discharge?信号有效， Q33（P沟道结型场效应管）处于关断状态，此时10VB-SS无信号，电源各抽头因没有驱动信号而没有直流电源输出。当发射机接收到开机命令后，此时?Discharge?信号无效，因而使得Q33栅极保持低电位，源极此时由于Q32未导通而悬空，则认为是高电位，所以Q33导通，于是在Q33的源极形成了10VB-SS送电源驱动信号控制回路。开机后电源控制器还向发出SOFT START信号使Q32导通。电源启动时是采用48V限流启动方式，即选通可控硅是通过一个大功率电阻进行限流，其目的是防浪涌。3秒后，待输出平稳，电源将自动切断SOFT START信号，即关闭限流启动电路，随后切换至正常电压输出回路。电压输出正常后，由于?Discharge?信号无效，所以Q37可通过估算其静态工作点方法判定其工作在饱和导通状态，从而使Q29和Q31均关断。于是功放工作电压得以保持。

图3功放电源的启动和关闭电路

当发射机接收到关机命令时，?Discharge?信号有效，此时Q37截止，Q29，Q31导通，于是功放工作电压将通过Q29，Q31经过R48迅速放电，使功放失去工作电压而停止工作。2.2 低压电源工作原理（见图4）

图4 低压电源连接图

如前所述，发射机低压电源部分为发射机提供部分开机控制和各控制器板卡电源。当发射机开机时，由主控制器发出经Life Support板的控制信号送至低压电源部分，控制发射机主接触器的闭合、发射机冷却风扇低速运行以及激励器上电继电器来完成相应操作功能。低压电源直流输出部分变压器初级由发射机三相电源其中一路相电与中线构成回路，次级线圈输出后经全波整流、滤波后分别输出+20V、-20V、+10V至功放电源的整流板，再由整流板送至发射机主控制器、功放控制器以及电源控制器。3 电源控制发射机的电源控制主要由电源控制器完成。发射机的电源控制器有2块电源控制板组成。每块控制2个功放电源。PS Controller1控制PS1,4，PS Controller2控制PS2,3，运行时两个电源控制器相互独立，电源控制器所控制的两个功放电源也相互独立。即使一个功放电源不能正常工作，控制板管理的另一个电源单元依然能够正常工作，与控制器保持正常的信息交换。电源控制器的主要功能：使得电源输出电压达到预定值、电源的限流启动和关机放电，监测电源工作状态以及电源故障保护。与电源控制有关的主要指令信号有：PS_Disable, PS_discharge, PS_Standby.，Reset。1.PS_Disable:是主控制器送来的开机信号，电源控制器接收到此信号决定是否送出驱动信号启动电源。启动电源是慢慢推高的，先限流启动、正常3秒后再不断提升功放模块工作电压，直到上升至设定的功率所需要电压值。2.PS_Discharge信号由电源控制器送至电源，使工作电压迅速释放。3.PS_Standby信号：来自主控制器或者功放控制器。该信号主要通过电源控制器禁止向电源单元送出驱动信号使得电源无输出，但是此时电源单元的初级还是有交流电存在。与正常关机不同的是，该信号只是暂时关闭电源的输出，即断开驱动信号使晶闸管截止，但是又不采取放电措施，使电源完全无输出，而是通过电源输出回路的滤波电容和放电电阻使电容上电压缓慢下降。此信号为发射机过压保护行为，当外电电压波动很大时，次级线圈所感应出的电压也会有很大的变动，此时发射机就采取这样的措施避免功放模块受到损坏。4.Reset信号：当电源控制器看门狗电路检测到控制器+20V电源低于12V时，该信号经Life Support板复位控制器上所有的芯片，切断所有的驱动信号，送出Discharge信号使得电源停止输出。4 实际运行中电源典型故障Z10调频发射机故障分为重要故障和非重要故障。出现重要故障将导致发射机保护性关机，如果电源部分出现非重要故障发射机不会关机，但有时可能会采取自动优化措施使得发射机整机功率保持不变，同时会出现故障指示，在发射机可视化故障诊断窗口可以看到具体故障信息。对于电源部分，变压器初级缺相是重要故障。整流板的30A保险丝断、可控管坏为非重要故障。在实际运行中，电源故障出现最多的是整流板上的30A保险丝断，通常出现在开机瞬间。一旦出现该故障，电源控制器将自动切换输出电压，并会在故障记录中显示PS#_TAP#。电源出现故障将必然导致发射机输出功率严重下降。如果出现一个电源变压器故障，输出功率只有正常输出的30%。如果一块电源控制器故障，将输出功率仅为正常时的16%。5 结术语虽然Harris Z10 调频发射机不是Harris公司最新产品，但是经过多年运行考验，该款机型可靠性还是很高的。随着我台发射系统的日趋老化，设备更新步伐将加快，无论从设备维护角度还是设备更新成本上考虑，选择使用同型号发射机可能性都很大。但是无论如何，作为发射台调频维护人员，熟悉相关设备工作原理和故障现象将是广播电视设施安全运行的保障，而且，由于电源模块在功能实现上原理的简单易懂、电路实用性高，也对日后台内相关设备的改造提供了颇有价值技术参考。 参考文献[1]全固态调频立体声广播发射机操作维护与测试.赵伟等.2002.9. 北京:中国广播电视出版社；2002.9.[2] The Art of Electronics. Paul Horowitz, Winfield Hill.second Edition.北京： 电子工业出版社；2011.8.[3] 电子技术基础 模拟部分. 康华光,陈大钦,张林.第五版.北京:高等教育出版社；2006.1.[4]基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计. 赛尔吉欧佛朗哥等.第三版.西安：西安交通大学出版社；2009.2.[5] Platinum Z10CD FM Transmitter Manual. Harris Corporation. 作者

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