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摘要：分析了频闪灯管的基本工作原理，结合了航空障碍灯的环境要求与安装使用条件，给出了子母型航空障碍灯的设计方法，包括了灯具外壳与透镜的选择，整流器的选择与电容容量的计算，控制器以及系统控制方式的选择等。
关键词：子母型；菲涅尔透镜；同步闪亮；系统设计
Abstract: This paper analyzes the basic principle of stroboscopic lamp, combination of aviation obstacle light environment requirements and installation conditions, gives the design method for composite aviation obstacle lights, including a shell and the lens light selection, calculation and choice of capacity of rectifier, controller and system control mode selection.
Key words: cluster; Finel lens; synchronous flashing; system design
中图分类号： E274.1文献标识码：文章编号：
一、引言
随着社会经济水平的不断发展提高，经济的巨大腾飞，中国的城市化进程进一步加快，城市高楼大厦不断涌现。城市扩大和经济发展带来巨大的电力需求，西电东送等电力工程的投入，电力输送线路途中的跨江线路承托高压电缆线的许多高大电力铁塔。为了标示这些城市中高层建筑物如高层楼宇，野外的电力高塔，工厂片区的高大烟囱等突出物的位置和形状，以引起夜晚空中飞行器的注意，有效避免事故的发生而造成人员伤亡与财务的损失。国内许多公司纷纷开发各种各样的指示灯：如北京方圆，上海航标厂四分厂、深圳建兴等都开发了相关的产品。有些指示灯存在亮度低，寿命短的缺点。有些采用卤素灯管，发光方式不显眼，警示效果一般。布线方式也不一致，给施工方面带来很多不必要的麻烦，没有采取优良的布线方式。
为了做好航空障碍灯起到更好警示作用的工作和提高市场竞争力，本人综合了许多同类产品的优点，提出开发子母型交流航空障碍灯系统。
二、频闪灯管的基本工作原理
本产品采德国海曼生产的频闪灯管作为航空障碍灯的发光部件。该灯管寿命长，闪亮次数可达到1×108次。亮度高，可达到几万CD，甚至更高。它一种脉冲触发的气体释放设备。灯管由石英玻璃制作而成，形状有U形，螺旋形，圆形等，采用银丝缠绕在灯管的周围。管子里面充满氙气，气体的释放持续时间一般在10us～10ms。密封在管子里面的两个极性端子采用耐高温、高压材料制成，分别为阳极和阴极。在两个端子连接相应的直流电源时，一个脉冲高电压驱动到触发极，灯管就发出高强度光。
1、频闪灯管的触发电路
触发电路给灯管负载的触发端施加一个高达几千伏的正电压，使灯管里面的气体电离产生通路，并联在灯管两端的高电压电容瞬间释放出能量，产生出高温、高亮的弧光。发光的时间一般为10us～10ms，它与电容能量释放的时间有关系，可通过在释放通路上串联一定的电感和并联一定的电容适当延长发光时间。
下图是采用可控硅为触发关键元件的电子触发电路，如下图1所示：
2、频闪灯管的主要释放电路
由于灯管的管直径、长度、充气气体的压力等决定了灯管的参数。因此不同的灯管具有不同的技术参数。负载的工作电压和工作功率应根据所采用的灯管设计。通过对电容存储能量的瞬间释放，使灯管发出强光。
以下是灯管负载的工作功率和电容存储能量的计算公式。
E=0.5×CBV02E[WS]：存储在电容的能量
V0[V]：电容两端的电压
CB [F] ：电容的容量
P=E×f P[W] ：负载工作平均功率
E[WS] ：存储在电容的能量
f[F]：负载工作频率
1）基本电源电路
倍压电源电路
倍压电源电路一般连接到交流220V的市电电路上。通过两个二级管分别对上下两个串联的电容充电，充电后的参数如下计算。
负载电压V0和电容存储的能量E计算公式如下：
V0 = 2√2Vmains
E= 2CV2mains
三、子母型交流航空障碍灯的系统设计
1、使用环境条件
交流航空障灯一般安装于城市高楼大厦的顶部和中部的外墙上，或者野外高压输送变电跨江高塔的顶端和中间部位的钢铁结构上，或者大型电力生产、石油炼化的大型烟囱上。环境条件恶劣，常处于高空、高压、电磁辐射、高温等。
交流航空障碍灯通过晚上闪亮形成指示灯作用，能够标示出建筑物的最高端和其大概的立体形状，对过往的飞行物给予警示的作用。并且标示的亮度应该使飞行物在很远的安全距离就能观察到前方障碍物。
因此，需要一种能够发出集中、高亮度的发光设备。它采用的灯壳为高强度、透光性强的亚伽力材料，为了防止长期在紫外线照射下发黄影响透光度，在材料中加入了防紫外线分子材料，并且采用了能够使光线更集中的菲涅尔透镜构造。
2、现場的安装要求
1）施工现场电源提供有两种情况，一种是有AC220V交流电，工频50～60Hz，这种情况可以直接连接航空障碍灯系统，如城市中的楼宇、大型烟囱。另外一种是野外电力高塔上，这时需要应用太阳能电源供电系统，采用该系统通过逆变提供交流电。
2）由于安装位置处于高空、高温甚至高压电辐射环境下，安装条件比较危险。因此系统的连接采用了单总线并联方式即子母型结构布线，安装简单，方便。
3、航空障碍灯具外壳的选择
灯具外壳由三部分组成：透光罩、灯体、灯座。透光罩与灯体的连接，灯体与灯座的连接分别采用6个不锈钢螺丝固定，连接面采用橡胶密封。灯座下面预留3个Ø14mm的孔，便于航空障碍灯的安装固定。
1）透光罩的选择
灯具的上部分是透光罩，材料使用渗透了防紫外线分子的亚加力工程塑料，即有机玻璃。透光性强，硬度高，长期在污染空气中和强烈阳光照射下，不会变黄影响透光性。采用的菲涅尔透镜结构，使发出的光线更加集中，大大提高了光亮度，跟其他透光罩相比，发光管采用较小的功率就可达到同样的可视效果。
2）灯体和灯座的选择
灯具的灯体和灯座都采用不锈钢制作而成，高质量的不锈钢材料耐腐蚀、强度大，并且造型美观。长期处于高热、酸雨等条件下不易生锈，不会变形，能很好地保护器件。
4、控制器的设计
控制器包括光电开关、电感器、电源电路、同步接收电路、同步发送电路、主控制电路、触发电路、负载等。其原理如下图4所示：
1）光电开关的选择
通过光电开关和辅助电路对白天与黑夜的的识别，主控电路接收到识别信号后，确定控制器的工作状态，是否驱动负载灯管闪亮。
光电开关采用电阻式的，两端电阻值与照度成直线关系。在强烈阳光照射下，其两端电阻几乎为零，而在没有光的地方，其两端电阻可以到达几兆甚至无穷大。
从经验值得出，在VDD=10V，参考电压V+=5.9V，在黄昏切换点的照度为100Lx，其两端电阻值为Rv=145K，则需选择的分压电阻R=100K。
2）主功率电路设计及电感器的选择
该部分电路提供给整个系统的工作电压：一种为DC5V，对交流电AC220V通过阻容降压，稳压后为5V，提供给主控制电路工作。另一种为DC550V，提供给负载灯管和同步发送电路工作。
选取的灯管工作电压V0：450V~600V左右，取550V电压。工作功率Pmax：60W。电容量选取CB：440uF/450V。主功率电路是交流电AV220V电压通过电感限流，对电容充电，两个电容通过串联蓄能后提供给负载工作，串联后电压是单个的两倍，最大可承受900V，电容量则为单个的一半，即220uF。
根据公式 E=0.5×CbV02 =0.5×220×550×550×10-6＝33.275WS。
频率为30/min，则：P=E×f＝33.275×0.5＝16.6375W≈16.7W。
通过实际电路测试：交流电AC220V对电容充电，要在一个闪光周期2S内使电压V0为550V,则选取的电感为40W。电感采用普通家用的燈管镇流器，市面有40W、30W、20W等。若需要不同的功率，可通过改变电容量或者电感来改变电容两端的电压和存储的能量，则灯管功率改变，亮度也随着改变。
3）主控电路的设计
主控制电路通过检测光电开关的状态决定是否驱动负载闪亮。自身产生频率或同步信号决定了负载的闪光频率，并产生同步发送信号给其他航空障碍灯，达到整个系统负载同步闪亮的功能。自身产生的频率是由IC14093与阻容电路产生。
4）同步接收和发送电路设计
同步接收电路采用高电压300V，小电流1.5mA的信号，尽量减少小信号干扰，负载的闪亮跟随同步信号。发送电路是母灯开始闪亮够，发送同步的信号，使其他航空障碍灯跟随母灯同步闪亮，信号的电压为300V/1A，理论上可驱动几百套航空障碍灯同时闪亮。
5）触发电路的设计
触发电路原理图与图1一样，采用可控硅100-6触发，升压线圈型号为ZS 1052，升压比例为1:36，触发电容为0.22uF，初级最大电压为300V。
5、系统的组成
子母型交流航空障碍灯由一个母灯和若干个子灯组成一个同步闪亮的系统，系统中的闪光频率由母灯决定，其他子灯在接收到同步信号后，跟随母灯闪亮。系统中采用一条总线方式，母灯和子灯并联在同一条电缆线上。具体如下图5所示：
四、总结
通过对交流航空障碍灯的使用环境和安装需求条件的分析以及航空障碍灯原理和子母型系统的组成设计，得出该系统应该注意以下几点：
负载发光部件的选择上采用了高压氙气灯管，具有寿命长，亮度高的优点。
2、采用不锈钢的灯体和灯座，耐腐蚀，抗高温不变形。采用的工程塑料具有透光性好，不会因太阳辐射变色、变黄影响亮度。菲涅尔透镜结构更能使光线集中，减少能耗。
电源中采用的阻容降压和稳压及电感限流作用，有效地控制系统自身温升，使对系统的稳定性得到很多的提高，也对整体空间的设计提供了方便。
4、采用一根电缆线就可把所有灯具连接并同步闪亮的功能，具有安装方便，节省成本的功能。
关键词：子母型；菲涅尔透镜；同步闪亮；系统设计
Abstract: This paper analyzes the basic principle of stroboscopic lamp, combination of aviation obstacle light environment requirements and installation conditions, gives the design method for composite aviation obstacle lights, including a shell and the lens light selection, calculation and choice of capacity of rectifier, controller and system control mode selection.
Key words: cluster; Finel lens; synchronous flashing; system design
中图分类号： E274.1文献标识码：文章编号：
一、引言
随着社会经济水平的不断发展提高，经济的巨大腾飞，中国的城市化进程进一步加快，城市高楼大厦不断涌现。城市扩大和经济发展带来巨大的电力需求，西电东送等电力工程的投入，电力输送线路途中的跨江线路承托高压电缆线的许多高大电力铁塔。为了标示这些城市中高层建筑物如高层楼宇，野外的电力高塔，工厂片区的高大烟囱等突出物的位置和形状，以引起夜晚空中飞行器的注意，有效避免事故的发生而造成人员伤亡与财务的损失。国内许多公司纷纷开发各种各样的指示灯：如北京方圆，上海航标厂四分厂、深圳建兴等都开发了相关的产品。有些指示灯存在亮度低，寿命短的缺点。有些采用卤素灯管，发光方式不显眼，警示效果一般。布线方式也不一致，给施工方面带来很多不必要的麻烦，没有采取优良的布线方式。
为了做好航空障碍灯起到更好警示作用的工作和提高市场竞争力，本人综合了许多同类产品的优点，提出开发子母型交流航空障碍灯系统。
二、频闪灯管的基本工作原理
本产品采德国海曼生产的频闪灯管作为航空障碍灯的发光部件。该灯管寿命长，闪亮次数可达到1×108次。亮度高，可达到几万CD，甚至更高。它一种脉冲触发的气体释放设备。灯管由石英玻璃制作而成，形状有U形，螺旋形，圆形等，采用银丝缠绕在灯管的周围。管子里面充满氙气，气体的释放持续时间一般在10us～10ms。密封在管子里面的两个极性端子采用耐高温、高压材料制成，分别为阳极和阴极。在两个端子连接相应的直流电源时，一个脉冲高电压驱动到触发极，灯管就发出高强度光。
1、频闪灯管的触发电路
触发电路给灯管负载的触发端施加一个高达几千伏的正电压，使灯管里面的气体电离产生通路，并联在灯管两端的高电压电容瞬间释放出能量，产生出高温、高亮的弧光。发光的时间一般为10us～10ms，它与电容能量释放的时间有关系，可通过在释放通路上串联一定的电感和并联一定的电容适当延长发光时间。
下图是采用可控硅为触发关键元件的电子触发电路，如下图1所示：
2、频闪灯管的主要释放电路
由于灯管的管直径、长度、充气气体的压力等决定了灯管的参数。因此不同的灯管具有不同的技术参数。负载的工作电压和工作功率应根据所采用的灯管设计。通过对电容存储能量的瞬间释放，使灯管发出强光。
以下是灯管负载的工作功率和电容存储能量的计算公式。
E=0.5×CBV02E[WS]：存储在电容的能量
V0[V]：电容两端的电压
CB [F] ：电容的容量
P=E×f P[W] ：负载工作平均功率
E[WS] ：存储在电容的能量
f[F]：负载工作频率
1）基本电源电路
倍压电源电路
倍压电源电路一般连接到交流220V的市电电路上。通过两个二级管分别对上下两个串联的电容充电，充电后的参数如下计算。
负载电压V0和电容存储的能量E计算公式如下：
V0 = 2√2Vmains
E= 2CV2mains
三、子母型交流航空障碍灯的系统设计
1、使用环境条件
交流航空障灯一般安装于城市高楼大厦的顶部和中部的外墙上，或者野外高压输送变电跨江高塔的顶端和中间部位的钢铁结构上，或者大型电力生产、石油炼化的大型烟囱上。环境条件恶劣，常处于高空、高压、电磁辐射、高温等。
交流航空障碍灯通过晚上闪亮形成指示灯作用，能够标示出建筑物的最高端和其大概的立体形状，对过往的飞行物给予警示的作用。并且标示的亮度应该使飞行物在很远的安全距离就能观察到前方障碍物。
因此，需要一种能够发出集中、高亮度的发光设备。它采用的灯壳为高强度、透光性强的亚伽力材料，为了防止长期在紫外线照射下发黄影响透光度，在材料中加入了防紫外线分子材料，并且采用了能够使光线更集中的菲涅尔透镜构造。
2、现場的安装要求
1）施工现场电源提供有两种情况，一种是有AC220V交流电，工频50～60Hz，这种情况可以直接连接航空障碍灯系统，如城市中的楼宇、大型烟囱。另外一种是野外电力高塔上，这时需要应用太阳能电源供电系统，采用该系统通过逆变提供交流电。
2）由于安装位置处于高空、高温甚至高压电辐射环境下，安装条件比较危险。因此系统的连接采用了单总线并联方式即子母型结构布线，安装简单，方便。
3、航空障碍灯具外壳的选择
灯具外壳由三部分组成：透光罩、灯体、灯座。透光罩与灯体的连接，灯体与灯座的连接分别采用6个不锈钢螺丝固定，连接面采用橡胶密封。灯座下面预留3个Ø14mm的孔，便于航空障碍灯的安装固定。
1）透光罩的选择
灯具的上部分是透光罩，材料使用渗透了防紫外线分子的亚加力工程塑料，即有机玻璃。透光性强，硬度高，长期在污染空气中和强烈阳光照射下，不会变黄影响透光性。采用的菲涅尔透镜结构，使发出的光线更加集中，大大提高了光亮度，跟其他透光罩相比，发光管采用较小的功率就可达到同样的可视效果。
2）灯体和灯座的选择
灯具的灯体和灯座都采用不锈钢制作而成，高质量的不锈钢材料耐腐蚀、强度大，并且造型美观。长期处于高热、酸雨等条件下不易生锈，不会变形，能很好地保护器件。
4、控制器的设计
控制器包括光电开关、电感器、电源电路、同步接收电路、同步发送电路、主控制电路、触发电路、负载等。其原理如下图4所示：
1）光电开关的选择
通过光电开关和辅助电路对白天与黑夜的的识别，主控电路接收到识别信号后，确定控制器的工作状态，是否驱动负载灯管闪亮。
光电开关采用电阻式的，两端电阻值与照度成直线关系。在强烈阳光照射下，其两端电阻几乎为零，而在没有光的地方，其两端电阻可以到达几兆甚至无穷大。
从经验值得出，在VDD=10V，参考电压V+=5.9V，在黄昏切换点的照度为100Lx，其两端电阻值为Rv=145K，则需选择的分压电阻R=100K。
2）主功率电路设计及电感器的选择
该部分电路提供给整个系统的工作电压：一种为DC5V，对交流电AC220V通过阻容降压，稳压后为5V，提供给主控制电路工作。另一种为DC550V，提供给负载灯管和同步发送电路工作。
选取的灯管工作电压V0：450V~600V左右，取550V电压。工作功率Pmax：60W。电容量选取CB：440uF/450V。主功率电路是交流电AV220V电压通过电感限流，对电容充电，两个电容通过串联蓄能后提供给负载工作，串联后电压是单个的两倍，最大可承受900V，电容量则为单个的一半，即220uF。
根据公式 E=0.5×CbV02 =0.5×220×550×550×10-6＝33.275WS。
频率为30/min，则：P=E×f＝33.275×0.5＝16.6375W≈16.7W。
通过实际电路测试：交流电AC220V对电容充电，要在一个闪光周期2S内使电压V0为550V,则选取的电感为40W。电感采用普通家用的燈管镇流器，市面有40W、30W、20W等。若需要不同的功率，可通过改变电容量或者电感来改变电容两端的电压和存储的能量，则灯管功率改变，亮度也随着改变。
3）主控电路的设计
主控制电路通过检测光电开关的状态决定是否驱动负载闪亮。自身产生频率或同步信号决定了负载的闪光频率，并产生同步发送信号给其他航空障碍灯，达到整个系统负载同步闪亮的功能。自身产生的频率是由IC14093与阻容电路产生。
4）同步接收和发送电路设计
同步接收电路采用高电压300V，小电流1.5mA的信号，尽量减少小信号干扰，负载的闪亮跟随同步信号。发送电路是母灯开始闪亮够，发送同步的信号，使其他航空障碍灯跟随母灯同步闪亮，信号的电压为300V/1A，理论上可驱动几百套航空障碍灯同时闪亮。
5）触发电路的设计
触发电路原理图与图1一样，采用可控硅100-6触发，升压线圈型号为ZS 1052，升压比例为1:36，触发电容为0.22uF，初级最大电压为300V。
5、系统的组成
子母型交流航空障碍灯由一个母灯和若干个子灯组成一个同步闪亮的系统，系统中的闪光频率由母灯决定，其他子灯在接收到同步信号后，跟随母灯闪亮。系统中采用一条总线方式，母灯和子灯并联在同一条电缆线上。具体如下图5所示：
四、总结
通过对交流航空障碍灯的使用环境和安装需求条件的分析以及航空障碍灯原理和子母型系统的组成设计，得出该系统应该注意以下几点：
负载发光部件的选择上采用了高压氙气灯管，具有寿命长，亮度高的优点。
2、采用不锈钢的灯体和灯座，耐腐蚀，抗高温不变形。采用的工程塑料具有透光性好，不会因太阳辐射变色、变黄影响亮度。菲涅尔透镜结构更能使光线集中，减少能耗。
电源中采用的阻容降压和稳压及电感限流作用，有效地控制系统自身温升，使对系统的稳定性得到很多的提高，也对整体空间的设计提供了方便。
4、采用一根电缆线就可把所有灯具连接并同步闪亮的功能，具有安装方便，节省成本的功能。