飞机客舱4041系列顶灯功能原理介绍及故障分析

张伟亮　宋新建　李政

摘 要：文章介绍了飞机客舱4041顶灯的功能原理，维修过程中遇到的故障，以及对于各种故障的排故过程分析。

关键词：变压整流；并联共振；亮暗控制

4041系列顶灯是飞机客舱照明系统的一个部件，该顶灯为客舱提供直接照明。根据在飞机客舱安装位置和照明需求的不同，4041系列顶灯可提供不同的尺寸和9～45 W功率安装使用。

1 顶灯概述

顶灯工作的功能部件为镇流器，内部含有一个集成电路板。电路板上有一个矩形接头作为飞机电源接口，为顶灯电路提供电源和信号控制。顶灯有3种不同设计类型用于飞机上的安装，这3种设计类型只是机械结构不同，功能完全相同。

4041系列顶灯有一个透明的柔性保护罩用于保护灯管，防止灯管破裂划伤。有些顶灯还安装有一个独立的夜灯。每个顶灯点亮一根荧光灯管，灯管可以直接按压装入顶灯灯座和移除，不用旋转。两个灯座有两个平行的凹槽确保灯管末端的引脚正确插入安装，灯座内部两个平行移动的弹簧锁扣固定灯管，灯座的触点弹簧将灯管引脚插入锁定后压紧。顶灯左侧灯座有释放按钮，按下按钮后灯座锁扣移动到一侧释放灯管末端的引脚。

顶灯镇流器工作电源为115 VAC/400 Hz交流电。灯管在不同模式下2 s内完成启动和点亮。顶灯有3种工作模式：

BRIGHT（亮模式）：灯管正常亮度。

DIM 1（暗模式1）：65%的灯管正常亮度。

DIM 2（暗模式2）：25%的灯管正常亮度。

2 工作原理

2.1 系统原理概述

飞机的交流输入电源115 V/400 Hz经过滤波和尖峰抑制电路后，整流成800 Hz的脉动直流。功率因数控制器将整流后的脉动直流升压到+230 Vdc供给并联振荡电路。并联振荡电路将230 V直流电压转换成灯管电流为200～230 mA的正弦波。根据亮度模式不同，灯管电流不同，25%亮度模式灯管电流为30～50 mA；65%亮度模式灯管电流为115～140 mA；全亮模式灯管电流为200～230 mA。

电路系统框如图1所示。

2.2 电路原理

2.2.1 滤波和尖峰保护电路

滤波和尖峰保护电路的作用是防止115 V/400 Hz交流电源的电磁干扰。电感L1和电容C1，C2抑制共模噪声，L2，C3抑制差模噪声。可变电阻R13用于防止尖峰脉冲。

2.2.2 整流电路

整流桥电路包含二极管V1、V2、V3、V4，整流电路的作用是将115 V/400 Hz交流电整流成一个800 Hz的脉动直流电压。桥式整流的负端是内部电路的参考地PWR GND。

2.2.3 功率因数控制器和限流器电路

该电路的主要元件有升压电感 L3、二极管V50、升压开关V11和芯片N1。该电路将功率从预热阶段的4 W上升到50 W点亮70英寸灯管。

电路工作过程为：当V11闭合时，电感L3充电电流线性增大，直到400 Hz正弦波的预设值。然后V11关断，电流线性减小并经过二极管V50对电容C14充电，直到电流值减小到0然后开关重新闭合。电阻R918是电流感应元件，其信号经过电阻R8反馈到控制电路N1。反馈控制回路由电阻R9、R10、R11组成，将输出电压分压到合适的电压级别，电容C10、C11和电阻R53对信号进行滤波。电阻R5对场效应管V11栅极限流和抑制干扰振荡。并联二极管V24确保开关V11关断时栅极快速放电。R2和V7限制电容C14的最大冲击电流为800 mA。

2.2.4 并联振荡电路

并联共振电路为灯管提供恒流。共振电路由变压器T2，电容C17、C18，晶体管V14、V15 组成。芯片N2的管脚1和2输出交替方波信号，使V14、V15交替导通，形成高压振荡。电路的共振频率小于50 kHz。二极管V16、V17用于防止电流同时流入变压器 T2初级线圈的两部分。

2.2.5 灯管电路

灯管电路的作用是连接灯管到共振电路上，选择灯管的亮度模式和其它特殊操作。灯光亮度控制电路和限流电路由两个继电器K1、K2和电感L6、L7组成。

在预热期间，继电器K1吸合，K2断开，灯管的灯丝经过电容C21、C22连接到变压器T2的次级线圈。电流不能流过灯管，但加热灯丝。灯管点亮需要顺序进行以下步骤。

（1）N2停止振荡电路的振荡。继电器K1、K2根据100%、65%，25%的照明要求设置开关位置。

（2）N2重新启动振荡电路振荡。完成后灯管两端出现共振电路最大电压，灯管点亮。全亮模式两个继电器关断，L6线圈与L7主线圈并联。65%亮度模式K1关断、K2闭合。电管电流流经电感L6。25%亮度模式两个继电器都吸合，L6和L7的所有3个线圈串联。

继电器开关时中断共振电路振荡。这能防止继电器触点欠载。电容C19防止整流灯管与电压器T2和电感L3、L4饱和。工作过程中拆除灯管会在灯管两端产生高压。电阻R20和R21将高压钳位，直到控制电路探测到故障并停止工作。

2.2.6 灯管电路控制电路介绍

电感L4的副线圈用于探测振荡电路的过零点。为了补偿场效应管V14、V15的开关时间和N2的延时，在L4的副线圈，经过电阻R14、R15，R17和电容C15额外增加了一个电压。变压器T2上的回扫电压被反馈，补偿瞬间的电压变化。二极管V37、V39，电阻R78以及电容C31和二极管V30限制有效地回扫电压。电阻R19、电容C40，场效应管V36为N2提供零點探测的正确相位。如果功率因素限制器输出超限，比较器N4停止N2的振荡。界限值由电阻R74、R16、R56、R60决定。隔离电阻R12连接比较器和IC N2，电容C41防止电路振荡。电容C16设置同步频率范围。

2.2.7 内部电源

变压器T1的次级线圈2-3和线圈4-5从滤波的115 V/400 Hz输入电源产生两个相互隔离的内部电源。

（1）功率因数控制器电源。

电压器T1的次级线圈4-5输出经二极管V8和V9整流。电阻R50、R51、R52设置稳压电源芯片N3的输出电压。电路的参考地为PWR GND。

（2）内部电源。

电压器T1的次级线圈2-3输出经二极管V12和V23整流，电容C39滤波。三极管V33和V34以及齐纳二极管V35是前置串联调节器。正常模式下电阻R28和V35的结点电压拉低。芯片U11提供5 VDC（VCC）到D1和D2。电容C30缓冲短暂中断。

当115 V/400 Hz通电时进行上电复位。电源经过V26和电阻R44对电容C4充电。该信号作为U1的一个输入信号。电阻R42保持三极管V26关断。D1的管脚4输出信号到三极管V43经光耦U2-1和电阻R43开关三极管V26。

2.2.8 亮度模式控制接口

变压器T1次级线圈7-8脚输出经过V21、V22整流，稳压管V10为亮度模式控制电路提供电压。暗亮信号的参考地是NEUTRAL（AC地）。

2.2.9 控制逻辑

微控制器D1采集并处理所有的输入信号并控制灯的工作。场效应管V27将变压器T2的温度传感器参考GND漂移。二极管V5，电阻R40，电容C35和芯片D2-A探测和整形输入电压的过零点信号。R39监测部件的温度。R34-R38将灯管电压分压到合适级别，经二极管V13整流和电容C33滤波。电阻R59监测的灯丝状态信号，该电路用于探测更换灯管或灯丝断路，电阻R57和R58用于信号分压，C36用于信号滤波。

3 故障现象及分析

顶灯组件的常见故障为灯不亮，绝缘测试不合格，亮度模式不可调节，预热期间灯亮。故障分析如下。

3.1 绝缘电阻测试不合格

导致绝缘失效的原因主要有：（1）电路板和壳体匹配不好。检查电路板和壳体的绝缘可以排除。（2）部件接头损坏。检查并更换接头，故障排除。（3）电容C1、C2损坏。更换C1，C2，故障排除。

3.2 保险F1烧断

灯不亮时，首先使用万用表欧姆档测量电路板保险F1。如果保险F1通路，则继续参照电路板图分析查找故障原因。如果保险F1开路，建议不要直接通电测试。应拆下电路板保护盖，检查电路板上是否有烧损的元件，闻下是否存在电路板烧焦的气味。保险F1烧断的情况如下。

（1）使用万用表二极管档位测量发现整流桥二极管V1-V4击穿短路，导致电源短接，瞬时电流过大，烧毁保险。更换整流二极管和保险后，通电灯亮。

（2）拆开电路板闻到元件烧焦气味，检查发现电容C17或C18管脚烧损，电容击穿损坏。通常这种情况下同时测量一下V14和V15，发现V14、V15的G-S短接。更换V14和V15，电容C17、C18和保险F1，灯管开始照明，故障排除。

（3）场效应管V14和V15栅极与源极之间短路，导致F1烧损，更换V14和V15F1后通电灯亮。

3.3 C14上无230 VDC

测量电容C14两端应为230 VDC电压。实测只有150 V左右或更小，判断为升压元件故障。升压元件包括N1、L3、V11。首先检查线圈L3的输入端电压约为150 VDC，输出端无电压，可以判断为线圈开路，更换线圈L3故障排除。若线圈输出端有电压，检查芯片N1管脚7有无方波信号，如果有信号，则继续检查场效应管V11是否开关正常。另外二极管V50开路或场效应管V7故障也能导致测量无230 VDC，可根据实际情况测量检查。以上检查可以确定哪个元件故障，可针对故障件更换。

3.4 变压器T2无振荡输出

测量T2线圈是否开路，如果开路则进行更换。如果线圈正常，用示波器检查T2初级线圈有无振荡波形。如果只有230 VDC电压无振荡波形，则用万用表检查与振荡有关的元件V14，V15，V16，V17，用示波器检查N2管脚1和2的输出输出方波。常见故障为场效应管V14，V15的G-S极短路，更换后灯亮。

3.5 无15 VDC电压

15 V电压主要由变压器T1的次级线圈输出整流提供。15 VDC为内部控制电路提供电压。测量无15 VDC，可以首先检查T1线圈是否开路，如果开路更换T1。如果线圈测试正常，检查IC N3输出端2脚有无15 VDC，输入端3脚有无15-25 VDC，可以判断N3故障。对于另外一路内部电源，使用万用表检查V33和V34的B-C极，可以判断三极管状态，如果故障将其更换。

3.6 预热期间灯管照亮

正常灯管预热期间应不亮。预热期间灯管两端高电压经线圈L7的3-5脚，继电器K2的管脚11-13，继电器K1的管脚9-13，继电器K2的管脚6-4到GND，灯管两端无高压，灯管预热期间不亮。实际排故测试发现预热期间灯管两端电压109 V左右，灯管两端电压未经过继电器到GND。判断为继电器K1或K2动作错误，经实际测量K2继电器线圈有电压，确定为K2吸合，高电压经L7两个线圈和L6线圈加到灯两端导致灯亮，预热时K2不应吸合。继电器K2动作电压受三极管V47控制，三极管导通信号来自D1的管脚6，使用万用表直流电压档位测量控制器D1的管腳6电压为0 V，正常情况下V47不应导通，实际测量发现三极管C-E之间压降很低，判断故障为三极管V47损坏，导致通路。更换三极管V47后，通电灯管预热期间不亮，预热结束后灯管亮起。

3.7 灯管亮度模式不能切换

灯组件有3种亮度模式，可提供全亮、65%亮度（DIM1）和25%亮度（DIM2）。

维修过程中出现亮度模式不能切换，判断为继电器K1或K2动作状态不对导致。可通过测量控制器D1的管脚5和管脚6的信号，以及三极管V47和V38的开关状态。如果芯片D1的管脚输出信号正常，三极管开关正常则可以排除控制器D1和三极管V47，V38的故障，从而确定是继电器K1或K2故障。更换继电器K1、K2，通电测试，亮度模式切换测试正常。

4 结语

顶灯安装在飞机客舱，可为客舱提供不同亮度模式的照明。镇流器将输入交流115 VAC/400 Hz滤波整流后升压为+230 V直流，然后经过振荡电路，在T2次级线圈产生灯管照明需要的交流电压。造成灯管不亮有多种原因，应从前端电源输入端入手逐级排查电路故障。在修理中应使用万用表和示波器重点检查各个电压及波形，并区分参考地的不同，选对参考地段。检查控制芯片的工作电压是否正常，芯片的重要输出管脚信号，以及三极管的好坏。对于亮暗模式不可控故障可针对继电器的触点开关状态排故，比较容易确定故障原因。