直流載波耦合電路的分析與設(shè)計(jì)

所謂耦合電路就是低壓電力線路與載波信號(hào)發(fā)送、載波信號(hào)接收電路之間信號(hào)連接方式的電路，通過(guò)耦合電路來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的交鏈。根據(jù)信號(hào)種類和電路環(huán)境，采用正確的耦合方式對(duì)信號(hào)的正常傳輸將起到至關(guān)重要的作用。

1.1載波發(fā)送端耦合電路

本系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)送端電路見(jiàn)圖1，三極管V1、變壓器T1的原邊線圈(設(shè)為L(zhǎng)2)和C3、C4組成單調(diào)諧功率放大電路。

圖1載波發(fā)送端耦合電路

這里諧振變壓器T1有著雙重作用：一方面，通過(guò)變壓器耦合載波信號(hào);另一方面，使通信電路與工頻交流強(qiáng)電隔離。T1采用帶有抽頭的變壓器，以減小由于V1的接入而使由C3、C4跟T1原邊線圈組成的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的Q值降低甚至停振。

前級(jí)輸出的高頻載波小信號(hào)經(jīng)由三極管V1及外圍元件組成的單調(diào)諧功率放大器進(jìn)行選頻功率放大后，載波信號(hào)的輸出功率能夠提高近10倍左右。通過(guò)調(diào)整C4的大小可微調(diào)網(wǎng)絡(luò)振蕩頻率。本系統(tǒng)選取載波中心頻率為120kHz，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)回路的固有振蕩頻率

為120kHz時(shí)，回路諧振阻抗為最大且為純電阻Z=R0=1/g0;回路兩端的電壓值也為最大值U0=IS/g0。諧振電壓U0經(jīng)變壓器T1的副邊線圈將其耦合到低壓電力線上，同時(shí)變壓器T1將電力線與載波發(fā)送電路相隔離。為防止電路自激，在V1發(fā)射極接入電阻R2，此電阻不能太大否則將影響發(fā)送功率。本系統(tǒng)取值1Ω。

為了將載波信號(hào)以較高的效率傳輸?shù)降蛪弘娏€上。需要濾除摻雜在載波信號(hào)中的噪聲和偽信號(hào)。通常，發(fā)送信號(hào)的二次諧波和三次諧波(本系統(tǒng)的二次諧波和三次諧波分別為240kHz和360kHz)對(duì)電網(wǎng)的噪聲污染比較大，所以有必要對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行濾波整形。設(shè)置由L1、C1組成的串聯(lián)諧振式帶通濾波器，設(shè)定其振蕩頻率

　也為120kHz。當(dāng)發(fā)送的載波信號(hào)對(duì)L1、C1振蕩網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)諧振時(shí)，串聯(lián)回路阻抗Z最小且為Z=r，因?yàn)樗?lián)在電路中，頻率為120kHz的載波信號(hào)極易通過(guò)，而對(duì)其它頻率的信號(hào)或噪聲阻抗則很大。其阻抗為Z=r+j(2πfL-12πfC)。式中：r為L(zhǎng)1的直流內(nèi)阻?？梢?jiàn)，電容器C1和電感器L1組成的帶通濾波電路對(duì)發(fā)送的載波信號(hào)能進(jìn)行濾波整形。此外，電容C1還能對(duì)50HZ工頻交流電起降壓的作用，以減小變壓器T1所承受的工頻交流電壓，同時(shí)也可以防止變壓器T1飽和。所以C1的選擇應(yīng)考慮具有足夠高的耐壓。

1.2載波接收端耦合電路

由發(fā)送機(jī)發(fā)送的載波信號(hào)經(jīng)由低壓電力線傳送到接收端，再由耦合電路交鏈到接收機(jī)。載波接收端耦合電路見(jiàn)圖2。

對(duì)于接收端的耦合電路，選用無(wú)源濾波器要優(yōu)于有源濾波器，這是因?yàn)橛性礊V波器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與接收信號(hào)相當(dāng)?shù)陌自肼?。本系統(tǒng)選用無(wú)源帶通濾波器(由C11、C12和L10組成)，采用并聯(lián)諧振回路形式。并聯(lián)回路的中心頻率由電容器C11、C12和電感L10的數(shù)值決定，中心頻率　

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)值為120kHz。經(jīng)計(jì)算當(dāng)選取L10=68μH時(shí)，則對(duì)應(yīng)(C11+C12)=25.86nF，不過(guò)這里的C11須由幾個(gè)電容并聯(lián)組合后才能取得該值。

載波耦合部分由變壓器T2、電容器C10和電感器L9組成。變壓器T2選用1:1的隔離變壓器。電容C10將變壓器與工頻交流強(qiáng)電隔離，使通信電路能完全地隔離電力網(wǎng)工頻信號(hào)。這樣就會(huì)阻止低頻信號(hào)進(jìn)入電路而能使某些高頻信號(hào)通過(guò)。萬(wàn)一電容器C10因短路而失去過(guò)濾50Hz工頻信號(hào)的能力，接口電路就會(huì)被損壞。故C10要選用具有短路保護(hù)功能的X2型電容器。并聯(lián)在C10兩端的電阻R10是一個(gè)泄荷電阻，其作用是在設(shè)備離線時(shí)給電容C10放電提供通道，防止在設(shè)備輸入端出現(xiàn)高壓。此電阻取值可稍大些，本設(shè)計(jì)中取1MΩ。

電容器C10和電感器L9還組成帶通濾波器，其作用一方面可將來(lái)自電力線上的其它干擾噪聲、帶外雜波濾除，另一方面保證前后級(jí)之間的阻抗匹配，以達(dá)到順利傳遞載波信號(hào)的目的。

1.3接口保護(hù)電路

電力線上的所有設(shè)備接入或者是斷開(kāi)，都有可能引起尖峰脈沖，并導(dǎo)致收發(fā)電路的永久性損壞。同時(shí)系統(tǒng)可能受到諸如強(qiáng)雷電脈沖等瞬時(shí)過(guò)電壓的干擾，所以無(wú)論在載波發(fā)送端還是載波接收端與電力線的接口耦合電路中，使用保護(hù)電路非常必要。

電路中，TVS是瞬變抑制二極管，起浪涌保護(hù)的作用，有效地避免后面電路被高壓擊穿。除電力線上會(huì)偶爾產(chǎn)生高壓脈沖破壞器件以外，當(dāng)設(shè)備剛剛接上電源時(shí)，如果電力線剛好處于電壓的最大值，此時(shí)電容上的電壓為0V，則會(huì)有300V以上的高壓直接加在變壓器兩端，將引起很大的電流，從而在次級(jí)產(chǎn)生尖峰脈沖。這個(gè)脈沖的電流相當(dāng)大，可達(dá)幾十安培到上百安培，采用一般的穩(wěn)壓管無(wú)法消除這個(gè)脈沖，壓敏電阻的響應(yīng)又比較緩慢，在出現(xiàn)脈沖的1μs之內(nèi)仍然有幾十伏的電壓，足以燒壞放大電路。實(shí)驗(yàn)表明，這種剛剛接入電路時(shí)的瞬態(tài)脈沖所產(chǎn)生的破壞力相當(dāng)大。不過(guò)雖然它的電流很大，但能量卻較小。選用的瞬變抑制二極管1.5KE6.8CA響應(yīng)時(shí)間是5ns，能夠吸收200A電流，瞬態(tài)功率可達(dá)1500W。

一般火線與零線間的干擾為差模干擾;火線與地線、零線與地線間的干擾為共模干擾。若采用一個(gè)雙向穩(wěn)壓管只對(duì)差模尖峰信號(hào)起作用而對(duì)共模尖峰信號(hào)不起作用，當(dāng)出現(xiàn)共模尖峰信號(hào)時(shí)就會(huì)對(duì)電路造成損壞。本系統(tǒng)采用3個(gè)二極管D7、D8和D9連成星形結(jié)構(gòu)，如圖2所示。對(duì)于差模尖峰信號(hào)，D7和D8構(gòu)成一個(gè)雙向穩(wěn)壓管;對(duì)于共模尖峰信號(hào)，這種星形結(jié)構(gòu)相當(dāng)于2個(gè)雙向穩(wěn)壓管。

在圖2電路中，穩(wěn)壓二極管D10、D11組成了雙向限幅電路，當(dāng)接收信號(hào)幅度等于或大于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值時(shí)，穩(wěn)壓管將接收信號(hào)的電位箝制在穩(wěn)壓值上，防止信號(hào)幅度太大而損壞后面的解碼集成電路。R11、R12是并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的隔離電阻，這里取27kΩ。