直流載波耦合電路的分析與設(shè)計

所謂耦合電路就是低壓電力線路與載波信號發(fā)送、載波信號接收電路之間信號連接方式的電路，通過耦合電路來實(shí)現(xiàn)信號的交鏈。根據(jù)信號種類和電路環(huán)境，采用正確的耦合方式對信號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)的信號發(fā)送端電路見圖1，三極管V1、變壓器T1的原邊線圈(設(shè)為L2)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，通過變壓器耦合載波信號;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。

前級輸出的高頻載波小信號經(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，載波信號的輸出功率能夠提高近10倍左右。通過調(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，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中的噪聲和偽信號。通常，發(fā)送信號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)對電網(wǎng)的噪聲污染比較大，所以有必要對載波信號進(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)送的載波信號對L1、C1振蕩網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)諧振時，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的載波信號極易通過，而對其它頻率的信號或噪聲阻抗則很大。其阻抗為Z=r+j(2πfL-12πfC)。式中：r為L1的直流內(nèi)阻?？梢?，電容器C1和電感器L1組成的帶通濾波電路對發(fā)送的載波信號能進(jìn)行濾波整形。此外，電容C1還能對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圖2。

對于接收端的耦合電路，選用無源濾波器要優(yōu)于有源濾波器，這是因?yàn)橛性礊V波器會產(chǎn)生一個與接收信號相當(dāng)?shù)陌自肼?。本系統(tǒng)選用無源帶通濾波器(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)計值為120kHz。經(jīng)計算當(dāng)選取L10=68μH時，則對應(yīng)(C11+C12)=25.86nF，不過這里的C11須由幾個電容并聯(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。這樣就會阻止低頻信號進(jìn)入電路而能使某些高頻信號通過。萬一電容器C10因短路而失去過濾50Hz工頻信號的能力，接口電路就會被損壞。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是一個泄荷電阻，其作用是在設(shè)備離線時給電容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之間的阻抗匹配，以達(dá)到順利傳遞載波信號的目的。

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，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。同時系統(tǒng)可能受到諸如強(qiáng)雷電脈沖等瞬時過電壓的干擾，所以無論在載波發(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，如果電力線剛好處于電壓的最大值，此時電容上的電壓為0V，則會有300V以上的高壓直接加在變壓器兩端，將引起很大的電流，從而在次級產(chǎn)生尖峰脈沖。這個脈沖的電流相當(dāng)大，可達(dá)幾十安培到上百安培，采用一般的穩(wěn)壓管無法消除這個脈沖，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的瞬態(tài)脈沖所產(chǎn)生的破壞力相當(dāng)大。不過雖然它的電流很大，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。若采用一個雙向穩(wěn)壓管只對差模尖峰信號起作用而對共模尖峰信號不起作用，當(dāng)出現(xiàn)共模尖峰信號時就會對電路造成損壞。本系統(tǒng)采用3個二極管D7、D8和D9連成星形結(jié)構(gòu)，如圖2所示。對于差模尖峰信號，D7和D8構(gòu)成一個雙向穩(wěn)壓管;對于共模尖峰信號，這種星形結(jié)構(gòu)相當(dāng)于2個雙向穩(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)接收信號幅度等于或大于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值時，穩(wěn)壓管將接收信號的電位箝制在穩(wěn)壓值上，防止信號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。