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無(wú)信號(hào)源的自激式激磁電源的設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2010-9-11 11:42    發(fā)布者:techshare
關(guān)鍵詞: 激磁電源 , 信號(hào)源 , 自激式
激磁電源是自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、感應(yīng)移相器等微特電機(jī)的必備供電電源,也是分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)模塊的主要電源之一,在慣導(dǎo)、雷達(dá)、自動(dòng)跟蹤等自動(dòng)化設(shè)備中應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的激磁電源的設(shè)計(jì),都是采用先設(shè)計(jì)正弦信號(hào)源,再經(jīng)過(guò)衰減或放大,然后進(jìn)行功率放大的模式。這種設(shè)計(jì)方式由于電路工作環(huán)節(jié)多,導(dǎo)致電路復(fù)雜、效率低、成本高,溫度穩(wěn)定性不好,可靠性下降。高電壓、大電流、小體積的功率運(yùn)算放大器的出現(xiàn),為簡(jiǎn)化激磁電源設(shè)計(jì),提高設(shè)計(jì)質(zhì)量提供了可行性。采用功率運(yùn)放直接組成維恩電橋振蕩電路,通過(guò)自激振蕩產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)功率足夠的正弦波。采用這種方式設(shè)計(jì)的激磁電源,不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,并且失真度小,具有穩(wěn)頻、穩(wěn)幅功能和良好的低溫漂性能。

1 直接振蕩式激磁電源電路組成及工作原理

圖1是自激式激磁電源原理框圖,根據(jù)實(shí)際供電電壓的情況和負(fù)載的具體要求,可提供相同頻率的3種不同幅值的正弦波輸出。基于功率運(yùn)放的維恩電橋振蕩器產(chǎn)生基本的正弦波輸出;經(jīng)過(guò)功率運(yùn)放反相后,從其輸出端和反相輸入端可得到幅值疊加為基本正弦波幅值2倍的頻率相同的正弦波輸出;對(duì)于感性負(fù)載,可通過(guò)串聯(lián)諧振電容,利用LC串聯(lián)諧振原理得到更高幅值的輸出。



1.1核心器件的選用

構(gòu)成維恩電橋的功率運(yùn)算放大器作為激磁電源的核心器件,要求能適應(yīng)較寬的電源電壓范圍,并能輸出較大電流,具備良好的低溫漂特性。綜合考慮性能、體積參數(shù),選用了BB公司的高電壓大電流功率運(yùn)放OPA548(TO-220-7封裝),可單、雙電源供電,雙電源供電范圍為±4~±30V,連續(xù)工作輸出電流3A(峰值5A),在環(huán)境溫度-40度~+85度范圍內(nèi)輸入電壓溫度漂移為±30μV/℃,并具備輸出使能控制、熱關(guān)斷保護(hù)、電流限制可調(diào)等功能。

1.2 振蕩器穩(wěn)幅穩(wěn)頻工作原理

維恩電橋振蕩器及其反相驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。振蕩頻率由R1、R4、C1、C3決定,基本不受功率運(yùn)算放大器本身和電源的影響。應(yīng)選用1/1000精度的金屬膜電阻和高性能的聚酯電容以保證頻率穩(wěn)定。自激振蕩器工作原理:運(yùn)算放大器并非理想器件,一旦電路上電,運(yùn)算放大器會(huì)產(chǎn)生輸出噪聲,通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)R4、C3反饋至運(yùn)放的同相輸入端,成為輸入信號(hào)。由于正反饋?zhàn)饔茫纬烧艺袷帲⑶艺穹饾u增大,直至接近電源電壓,輸出振幅達(dá)到飽和,通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻R3改變運(yùn)放增益,使輸出正弦波幅值達(dá)到所要求的范圍。






由巴克豪森判據(jù)可知AB=1是振蕩的臨界條件。其中



因此,維恩電橋自激振蕩要滿足增益A>3的要求。

0PA548有限流控制端,將該端通過(guò)限流電阻接到負(fù)電源端可以設(shè)置電流大小。限流電阻R1為



式中:I為OPA548所限制的由R1決定的輸出電流(0<5A),電路限流時(shí),最大只能輸出被限制的電流參數(shù)I。
該振蕩電路采用雙向穩(wěn)壓二極管穩(wěn)幅方式,如圖2所示,D7為雙向穩(wěn)壓二極管,型號(hào)為2CW234.在運(yùn)放反饋輸入端接入以穩(wěn)定振幅。D7是穩(wěn)定正弦波幅度的關(guān)鍵器件,其自身的溫度穩(wěn)定性一定要好,應(yīng)選用工業(yè)級(jí)以上的低溫漂產(chǎn)品。經(jīng)實(shí)際檢測(cè),其中頻率波動(dòng)≤±lHz,電壓波動(dòng)≤±1%,波形失真度≤l%。為了便于觀察電路是否起振,設(shè)計(jì)了LED振蕩指示電路。電路振蕩時(shí),正弦波信號(hào)通過(guò)電阻Rs、電容C4驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管D5發(fā)光。C4起隔直作用,保證電路未起振時(shí)D5為熄滅狀態(tài)。


1.3 反相輸出及LC串聯(lián)諧振

功率正弦波振蕩器輸出電壓的幅值,與振蕩器供電電壓密切相關(guān)。通常自動(dòng)控制系統(tǒng)使用的激磁電源有效值為36 v或26 v,若要產(chǎn)生有效值為36V的激磁電源,則正弦波的峰-峰值為 使用單級(jí)運(yùn)放則至少需要±51v的電源輸入范圍。

如果使用±30v雙電源供電,由0PA548構(gòu)成的振蕩器最高可以提供有效值為21 v的激磁電源,經(jīng)過(guò)反相疊加后,可以提供有效值為26v或36 v的激磁電源。但對(duì)于只提供常規(guī)低電壓供電的系統(tǒng),如±15 v供電的系統(tǒng),就無(wú)法提供有效值為26v或36v的激磁電壓,這時(shí)可以采用LC串聯(lián)諧振的方式使電壓有效值升到36v,等效電路如圖3所示。





圖3中L是旋轉(zhuǎn)變壓器的電感,C是串聯(lián)電容,R是電路的總電阻,即R=RL+RC(RL和RC分別為電感元件和電容元件的電阻);US為激磁電源,相當(dāng)于圖2中輸出1與輸出2之間輸出的激磁電源,ω為電源角頻率。電路輸入阻抗Z為



完全諧振時(shí),電感兩端電壓有可能超過(guò)額定電壓,可調(diào)節(jié)R3使輸出電壓有效值為36V。

1.4電路保護(hù)措施

理想狀態(tài)下,LC串聯(lián)諧振電路完全諧振時(shí)電感和電容兩端電壓大小相等,相位相反,互相抵消。但實(shí)際元件并不能使電路達(dá)到完全諧振狀態(tài),那么功率運(yùn)放輸出端的電壓有可能在正弦峰值時(shí)超出電源電壓,損壞功率運(yùn)放。通過(guò)兩個(gè)鉗位二極管對(duì)低內(nèi)阻的電源放電,以防止意外的峰值電壓造成損壞。二極管采用超快恢復(fù)二極管,其連續(xù)電流應(yīng)大于功率運(yùn)放峰值電流,反向耐壓值應(yīng)至少為電源電壓的兩倍,電路設(shè)計(jì)中選用的是HER604(6A/300V)。]

2 應(yīng)注意的問(wèn)題

圖2中R2與R3的參數(shù)特別是溫度系數(shù)要一致,否則,在高溫和低溫時(shí),有可能出現(xiàn)振蕩器不起振,或者振蕩波形失真的現(xiàn)象。電路調(diào)整完畢,R3的調(diào)整值最好換成相同阻值的固定金屬膜電阻,以減小阻值漂移引起激磁電源參數(shù)變化的可能性。穩(wěn)壓二極管對(duì)激磁電源電路的輸出電壓的穩(wěn)定性影響較大,需要選擇溫漂小的雙向穩(wěn)壓二極管,最好選用帶溫度補(bǔ)償?shù)姆(wěn)壓二極管。這樣即使電源電路長(zhǎng)期連續(xù)工作,其輸出的正弦波頻率及電壓參數(shù)以及波形失真度仍能滿足使用要求,保證應(yīng)用激磁電源的系統(tǒng)的精度。

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)信號(hào)源的自激式激磁電源的設(shè)計(jì),突破了傳統(tǒng)的激磁電源的設(shè)計(jì)理念,減少了設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),簡(jiǎn)化了電源結(jié)構(gòu),降低了電路成本,提高了可靠性。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用,能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作,輸出電壓的頻率和幅值穩(wěn)定精度高。特別是功率運(yùn)放反相驅(qū)動(dòng)和LC串聯(lián)諧振原理的應(yīng)用,使一套振蕩器電路可以同時(shí)輸出3種不同幅值的正弦波電壓,能夠滿足不同的使用需求。體積小,功能全,適應(yīng)性強(qiáng),應(yīng)用廣泛。
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