基于CSM020B和LM324的過流報警裝置設(shè)計方案

為解決生產(chǎn)中過流故障，分析了速調(diào)管燈絲供電電路和預(yù)熱電流曲線，在確定幾個關(guān)鍵參數(shù)后，設(shè)計制作了聲音報警裝置。該裝置主要由霍爾傳感器CSM020B，LM324和555振蕩器組成，能在電流異常時發(fā)出連續(xù)或斷續(xù)聲警告。該報警裝置裝在測試設(shè)備后，使用效果良好，杜絕了電流過大燒毀產(chǎn)品的現(xiàn)象。更換傳感器后可用于其他功能的報警。

1.多注速調(diào)管概述

多注速調(diào)管是某型導彈發(fā)射機上重要、昂貴的器件，裝配在發(fā)射機上，在常溫下需反復(fù)調(diào)整燈絲電流，使其達到速調(diào)管工作在穩(wěn)定狀態(tài)的最佳值。發(fā)射機批生產(chǎn)中是通過改變燈絲電壓（調(diào)電阻箱）進而調(diào)整燈絲電流的。實際調(diào)試中有時會出現(xiàn)因電阻箱的彈簧鉤與產(chǎn)品接線柱接觸不良或速調(diào)管本身陰柵極熱短路等原因而導致燈絲電流或27 V預(yù)熱電流過大的現(xiàn)象，這種情況下未及時斷電就會造成速調(diào)管燈絲被燒斷或供電電路板被燒壞。為避免此類故障發(fā)生，本設(shè)計制做了過流時能聲音報警的電路，在電流突然變大時及時提醒測試人員斷電，保護產(chǎn)品。

圖1 多注速調(diào)管

2.速調(diào)管燈絲供電電路分析

速調(diào)管燈絲電流調(diào)整電路，如圖2所示。

圖2 燈絲電流調(diào)整電路

CW150是國產(chǎn)的三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器，圖1是典型用法，通過改變RX（電阻箱）調(diào)整輸出電壓UO，再經(jīng)開關(guān)電源（降壓整流）后供給速調(diào)管燈絲。R3為檢測燈絲電流的取樣電阻。開關(guān)電源沒有反饋穩(wěn)壓控制回路，只有通過調(diào)整CW150穩(wěn)壓器的輸出電壓達到調(diào)整燈絲電壓的目的。

輸出電壓UO表達式：

式中：基準電壓UREF =1.25V;調(diào)整端電流IADJ=50μA，可忽略不計，故公式（1）變?yōu)楣剑?）：

對幾批產(chǎn)品使用的RX統(tǒng)計，RX最大為450 Ω，最小為200 Ω，根據(jù)式（2）算出常溫條件下CW150工作時的輸出電壓范圍：14.8～17.4 V。在調(diào)試時，RX為電阻箱，通過彈簧鉤掛在燈絲電路中的兩接線柱上，如果測試人員漏掛彈簧鉤或接線柱氧化導致彈簧鉤接觸不良，移動產(chǎn)品造成彈簧鉤掉落，均會導致RX增大，UO隨著增大，但UO不會大于UI。假設(shè)UO等于UI，此時Rx的值可根據(jù)式（2）計算出1.37 kΩ。可以看出X》1.37 kΩ，，就會使UO接近UI，因為開關(guān)電源沒有反饋穩(wěn)壓電路，輸入電壓升高，致使開關(guān)電源輸出電壓即燈絲電壓過高，造成燈絲電流過大而使燈絲燒斷，昂貴的速調(diào)管報廢。即使在燈絲電流正常情況下，有時也會發(fā)生速調(diào)管熱短路（速調(diào)管陰極和柵極間因變熱而接觸短路）的故障，這種情況下不及時斷電會燒毀高壓電源內(nèi)供電電路上的限流電阻，又因為高壓電源被封閉的一個密閉的殼體內(nèi)，不會被及時發(fā)現(xiàn)，在正常調(diào)試的加電時間內(nèi)足以把裝限流電阻的印制板燒糊，致使整個電路板報廢。

3.預(yù)熱電流曲線

測試設(shè)備沒有27 V預(yù)熱電流過大時的斷電保護電路，在不改動產(chǎn)品的情況下考慮為設(shè)備增加報警電路。發(fā)射機正常調(diào)試：過程中，先加27 V預(yù)熱速調(diào)管燈絲2 min，在這2 min內(nèi)，預(yù)熱電流由初始值1.6 A緩慢下降到約1.0 A（因燈絲電阻隨溫度增高而變大），準備階段預(yù)熱電流會再下降一點（0.03 A），但在發(fā)射階段預(yù)熱電流會增大到2.2 A。經(jīng)過理論分析和多次的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出速調(diào)管預(yù)熱階段27 V電流曲線，如圖3所示。

圖3 預(yù)熱電流曲線

由圖3看出，正常狀態(tài)下預(yù)熱電流由加電瞬間1.6 A緩慢下降，約30 s時即到達穩(wěn)定狀態(tài)1.0 A，若速調(diào)管突然出現(xiàn)熱短路，預(yù)熱電流會迅速上升至1.5 A。當燈絲電路失控（圖2中Rx大于1.3 kΩ時），預(yù)熱電流會由加電瞬間1.8 A稍下降，大電流十幾秒就會燒斷速調(diào)管燈絲，預(yù)熱電流下降并穩(wěn)定在0.5 A。根據(jù)預(yù)熱電流變化情況，報警電路設(shè)計時應(yīng)考慮：預(yù)熱電流正常時不報警，在發(fā)射階段（預(yù)熱電流2.2 A）也不應(yīng)聲音報警。燈絲電路失控導致預(yù)熱電流過大時直接發(fā)出報警音，提醒測試人員立即關(guān)閉預(yù)熱開關(guān)，停止測試。在預(yù)熱過程中由于速調(diào)管突然熱短路導致預(yù)熱電流變大時也及時報警（聲音與失控時有區(qū)別），告知測試人員立即斷電。

4.電路主要參數(shù)設(shè)計

4.1預(yù)熱電流采樣

鑒于27 V預(yù)熱電流較大，用常規(guī)的串入采樣電阻方法，會影響產(chǎn)品供電電壓，電路選用基于霍爾效應(yīng)的CSM020B電流傳感器。該傳感器采用測量靈敏度高的線繞法（導線纏繞在標準的環(huán)形導磁鐵芯，匝數(shù)越多磁感應(yīng)強度越強，輸出的霍爾電壓越大）?；魻栯妱軺H計算公式：

式中：KH為霍爾元件的靈敏度;I為控制電流;B為霍爾元件垂直方向的磁感應(yīng)強度。27 V正極導線繞在電流傳感器上幾圈，當有預(yù)熱電流時電流傳感器輸出電流，電流通過采樣電阻R1轉(zhuǎn)換為電壓，調(diào)節(jié)傳感器上電位計RPH可以校準電壓和預(yù)熱電流數(shù)值的一致性，見圖4。調(diào)整繞線匝數(shù)和電位計RPH使電流比例系數(shù)為2‰，例如電阻R1上電壓2V表示預(yù)熱電流1A。

圖4 電路圖

4.2報警電流閾值和延時時間的確定

報警部分可通過電壓比較器實現(xiàn)，同相輸入端接輸入電壓信號，反相輸入端接與上限設(shè)定值對應(yīng)的參考電壓，參考電壓可由電位計調(diào)節(jié)。放大器采用輸入阻抗高、漂移較小、共模抑制比高的LM324。在發(fā)射機調(diào)試時，27 V預(yù)熱電流正常值始終大于0.9 A，考慮電路干擾影響，電流報警閾值設(shè)為0.8 A，即調(diào)節(jié)RP2使U1B比較器的6腳電壓1.6 V。由圖3可知，速調(diào)管在預(yù)熱約10 s，電流會下降到1.2 A以下，故選擇延時時間為10 s。速調(diào)管熱短路時預(yù)熱電流為1.5 A，電流報警閾值設(shè)為1.3 A，即調(diào)節(jié)RP1使U1A比較器的2腳電壓2.6V。燈絲電壓失控報警電流閾值設(shè)為1.6 A，調(diào)節(jié)RP3使U1C比較器的9腳電壓3.2V。

延時電路選擇RC串聯(lián)充放電電路，這樣不僅電路設(shè)計簡單，而且使電路具有在調(diào)試完一次產(chǎn)品后，能自動恢復(fù)到待命狀態(tài)的功能（由于設(shè)備斷電后，電路檢測不到電流）。運算放大器U1（LM324）在電源電壓8 V下，輸出電壓7.5 V，與非門U2選用CMOS電路（輸入阻抗較高，可以避免影響RC充電電路），高電平最小輸入要求為3.5 V，根據(jù)電容充電時間公式：

式中：vc（∞）=7.5 V;vc（0）=0 V;vTH=3.5 V，則t=0.629RC。延時時間為10 s，充電電容C1選為47μF，可計算出充放電回路的電阻R6為340kΩ。

4.3聲音參數(shù)的確定

斷續(xù)報警信號采用常用的555電路組成的多諧振蕩器。振蕩周期T（單位：s）（報警聲音頻率）和占空比D可根據(jù)固有公式計算：

檢測到的振蕩波形（見圖5）與設(shè)計一致。脈沖信號經(jīng)二極管D2和D4，開通晶體管Q1使蜂鳴器發(fā)出聲音。

圖5 555振蕩波形

5.電路工作原理

正常情況下預(yù)熱前10s，U1A和U1B比較器輸出正電壓，但電容C1充電電壓達不到高電平3.5 V（即U2A的1腳），導致555振蕩器不振蕩，蜂鳴器不發(fā)出聲音。等到10 s后U2A的1腳保持高電平，U1A比較器輸出變?yōu)樨撾妷?，U2A的2腳為低電平，導致555振蕩器仍不振蕩。在預(yù)熱和準備階段圖4中Ua為22 V，發(fā)射階段為64 V（或45 V），調(diào)節(jié)RP4使U1的12腳電壓3.0 V。在預(yù)熱和準備階段U1的13腳電壓2.0 V，U1D比較器輸出正電壓使二極管D3截止，蜂鳴器受555振蕩器和比較器U1C控制。在發(fā)射階段U1的13腳電壓5.8 V（或4.4 V），U1D比較器輸出負電壓使二極管D4截止，這樣雖然此時預(yù)熱電流2.2 A，555振蕩器振蕩和U1C比較器輸出正電壓，但蜂鳴器不發(fā)出聲音。當燈絲電路失控時，U1C的10腳電壓約3.6 V，U1C比較器輸出正電壓，蜂鳴器發(fā)出連續(xù)聲。當速調(diào)管熱短路時，預(yù)熱電流會突然上升至1.5 A，U1A比較器輸出正電壓，U2A的2腳為高電平，導致555振蕩器開始振蕩，蜂鳴器發(fā)出斷續(xù)報警聲。電流報警流程見圖6。

圖6 電流報警流程

結(jié)語

在發(fā)射機常溫調(diào)試設(shè)備加裝過流報警電路后沒有發(fā)生過燒斷速調(diào)管燈絲和燒毀電路板的故障。雖然出現(xiàn)過幾次電流過大，但都因及時斷電避免了燒毀產(chǎn)品的現(xiàn)象發(fā)生，同時安裝的過流報警器完全獨立于測試系統(tǒng)，對產(chǎn)品調(diào)試和測試結(jié)果沒有任何影響。對測試設(shè)備改造（如增加繼電器）可實現(xiàn)自動斷電功能。更換其他傳感器（如壓力、溫度）該電路可改造成具有其它檢測功能的報警裝置。
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