鈴流源電路的新設計
摘要:闡述三種新型鈴流源電路的工作原理,分析它們的性能與特點,并依據(jù)上述原理,設計出具體的實用電路。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/233505.htm關鍵詞:階梯波 文氏電橋振蕩器 SPWM 解調(diào)器
鈴流源又稱鈴流信號發(fā)生器,它是一種特殊形式的電源。在通信交換設備中,鈴流源為用戶話機提供振鈴信號和工作電源。原郵電部標準化所制定的鈴流源技術標準為:波形為正弦波,頻率為25Hz±3Hz,輸出電壓為75V±15V,失真度1%。在早期的通信設備中,采用的是集中式鈴流源,由單獨的鈴流源機架提供整個系統(tǒng)的鈴流信號,其輸出功率是很大的。而近期的通信設備多采用分布式鈴流源,將它與程控交換機的二次電源組合在一起,采用模塊化結構,輸出功率從數(shù)瓦到數(shù)十瓦不等。由于鈴流源的電路型式為DC/AC變換器,除輸出的電壓幅度與頻率有所不同外,鈴流源電路與常用的逆變器電路在原理與制作上并無多大差別。
鈴流源的實際電路多種多樣。80年代,當鈴流源由方波改為正弦波時,人們曾采用濾波法,將羅耶振蕩器產(chǎn)生的方波信號,經(jīng)LC無源濾波器濾去高次諧波,從而得到25Hz的正弦基波。也有的鈴流源采用裂相法,通過裂相電容器和變壓器的作用,將頻率為50Hz的交流市電變?yōu)?5Hz的鈴流電壓。上述兩種方法都離不開低頻變壓器和濾波器,其缺點是效率低,體大笨重,噪聲也大,不符合現(xiàn)代通信設備的要求。
本文介紹的三種新型鈴流源電路,在一定程度上克服了上述兩種方法的缺點,在效率、體積、重量和噪聲方面均有所改善,加之電路新穎簡潔,調(diào)試容易,對從事此類電源設計的人員會有一定的參考價值。
1 階梯波鈴流源
與正弦波波形最相近的是階梯波,階梯波可以用多個幅度不等的等寬矩形波合成,階梯波的階數(shù)越多,失真度越低,波形越近似于正弦波。當階數(shù)為12時,失真度為14%;當階數(shù)為16時,失真度為10%;當階數(shù)為20時,失真度為7%左右。本文采用16階梯波,其失真度基本上能達到鈴流源的要求。16階階梯波的波形如圖1所示。
正弦波的周期為2π,16階階梯波每個矩形波的寬度為2π/16,即π/8,矩形波的幅度可以由正弦波的積分求得,在0~π/2區(qū)間內(nèi)有4個矩形波,它們的幅度比為:
經(jīng)計算得出其幅度比為0.20:0.56:0.85:1,其它區(qū)間矩形波的幅度比與此相同。產(chǎn)生這樣的階梯波并不困難,采用圖2的電路就能實現(xiàn)。
電路為一典型的推挽輸出電路,變壓器初級繞組有8個抽頭,分別由8只功率晶體管驅動,初級繞組抽頭位置的不同,所繞的匝數(shù)就不同,輸出電壓的幅度也不同,每半個周期含有4個抽頭,其匝數(shù)比按0.20:0.56:0.85:1繞制,8只功率晶體管的導通順序為1234,4321,5678和8765,這樣在變壓器次級繞組上就會產(chǎn)生階梯波。驅動晶體管的數(shù)目與變壓器抽頭數(shù)相等,與階梯波的階數(shù)比為1:2,階數(shù)越高,所需要的晶體管數(shù)越多,變壓器的抽頭也越多,制作工藝也越復雜,成本也越高,所以并非是階數(shù)越高越好,而應視所要求的技術參數(shù)和成本而定。階梯波不是嚴格意義上的正弦波,而是準正弦波,當波形失真要求很低時,采用階梯波不一定適合,這時可以考慮用其它方法。
在變壓器次級繞組增加LC濾波器,可以獲得更純正的正弦波,但由于輸出的是功率信號,頻率又很低,濾波用的LC元件數(shù)值很大,其體積和重量也不容忽視。
對于階梯波,階數(shù)為n,輸出信號的頻率為fo,則晶體管觸發(fā)信號的頻率fck=nfo,對于上述鈴流源而言,觸發(fā)信號的頻率fck=16×25=400HZ,實際電路如圖3所示。
電路由一只單結管和兩塊通用數(shù)字集成電路組成,它是一個16位的順控器。單結管又稱雙基極二級管,用它設計的張弛振蕩器,電路簡單元件少,振蕩頻率公式f=1/T,T=RC1n[1/(1-η)]或T≈0.3RC1g[1/(1-η)]來確定,η為單結管發(fā)射結的分壓比,一般為0.3~0.9,本電路的振蕩頻率為400HZ,由電位器RP1進行調(diào)節(jié)。CD4022是8進制數(shù)/分配器集成電路,兩塊CD4022串接可組成16進制的分配器。為增大鈴流源輸出功率,應在控制電路與功率放大電路之間增加推動級,功率放大管應采用大功率達林頓管,如TIP142、TIP132等。
階梯波鈴流源已由線性電路向開關電路轉化,整個電路的輸出由8只晶體管分擔,散熱問題容易解決,電路具有較高的效率,它的缺點是所用的功率管較多,仍然采用輸出變壓器,它的體積和重量仍然比較大。
2 直放式鈴流源
直放即直接放大的意思,其工作原理是首先制作一個小的正弦波發(fā)生器,然后將這個正弦波信號進行功率放大,使它達到鈴流源的指標。直放式鈴流源與常用的擴音機是相同的,只是它的輸入信號固定為25Hz,而不是變化的音頻信號,實際電路見圖4所示。
單運放IC1構成文氏電橋振蕩器,在RC正弦波振蕩器中,它是最常用的一種,電路起振的條件是要求電路的電壓增益大于3,低于這個臨界增益,電路不起振,而增益過高,也會使振蕩波形變劣,為使振蕩電壓幅度恒定,在負反饋電路里加有兩只二極管VD1、VD2的補償電路,利用它們的非線性,抵消外界溫度變化等影響,使輸出穩(wěn)定。R4、R5、C2、C3組成選頻網(wǎng)絡,當R4=R5,C2=C3時,文氏電橋振蕩器的頻率,按圖中給定的數(shù)值,振蕩的頻率固定為25Hz,IC2為一小功率功放集成電路,型號為LM386N4,外圍件很少,性能也很優(yōu)越。此集成塊的作用是將振蕩器輸出的信號進行放大,使它具有一定的負載能力,以驅動后級功率放大器。功放電路采用有輸入變壓器的OTL功放電路,優(yōu)點是無輸出變壓器,功率信號直接由電解電容器C7輸出。功放管采用大功率VMOS管擔任,工作在甲乙類狀態(tài),為克服交越失真,由電阻R10~R13分壓為功放管提供偏置電壓。為使輸出的鈴流信號穩(wěn)幅,電路處于閉環(huán)工作狀態(tài),由光耦器件GO1組成穩(wěn)幅電路,光耦GO1的初級是發(fā)光二極管,次級為光敏CDS電阻。其穩(wěn)幅過程如下:當輸出的鈴流信號升幅時,流過發(fā)光二極管的電流也增加,光敏電阻的阻值隨之減小,它與電阻R8分壓,使IC2的輸入信號電壓降低,從而使功放級輸出的鈴流信號幅度回落。反之,當輸出的鈴流信號降幅時,流過發(fā)光二極管的電流也減少,光敏電阻的阻值隨之增大,使IC2的輸入信號電壓升高,從而使功放級輸出的鈴流信號幅度上升。這樣就保持了輸出的鈴流信號在一定的范圍內(nèi)穩(wěn)定。
直放式鈴流源省去了低頻輸出變壓器,體積小重量輕,波形良好,失真度很低,其缺點是要增設一組高壓供電電源(+300V),此外,它的效率也不夠高,只能達到70%左右。
圖5是為鈴流源供電的高頻開關電源電路,采用DC/DC變換方法,將程控機上的-48V電源變換為+300V和±12V等幾組電壓,變換器的核心器件為PWRTOP104,它集控制功能與功率開關管于一體,電路極為簡單,此電路為一典型電路,很多書刊均有談及,這里不再贅述。
3 SPWM鈴流源
SPWM即正弦波脈沖寬度調(diào)制技術,是當前產(chǎn)生鈴流的先進方法,其基本原理與高頻開關電源很相近,只是多了一組正弦波發(fā)生器電路而已,原理框圖如圖6所示。
首先產(chǎn)生25Hz正弦波信號,將其與頻率為數(shù)十千赫的三角波信號分別加到電壓比較器的正反相輸入端進行調(diào)制,產(chǎn)生脈寬可變的調(diào)制波,調(diào)制波的包絡線為25Hz的正弦波形。將調(diào)制波進行開關放大,輸出功率信號,最后經(jīng)解調(diào)器解調(diào),得到低頻率的25Hz鈴流信號。
其波形如圖7所示。
本電路采用數(shù)字式正弦波振蕩器,它與圖4中的模擬式文氏電橋振蕩器相比,它產(chǎn)生的正弦波信號的精度與穩(wěn)定度要高得多。振蕩器由兩塊集成電路組成。CD4060是通用14位分頻/振蕩器集成電路,外加的3.69MHz晶振與CD4060內(nèi)部電路組成晶體振蕩器。而后由CD4060內(nèi)部的分頻器對振蕩信號分頻,分頻數(shù)選為212=4096,得到900Hz的脈沖信號。IC2是一種開關電容濾波器SCF集成電路,內(nèi)含五階低通濾波器,可以將輸入的脈沖信號變?yōu)檎也ㄐ盘枺敵龅恼也l率fo=fck/36,輸入900Hz的脈沖波,將得到900/36=25HZ的正弦波信號,失真度THD≤0.1%。IC2的國產(chǎn)型號5G6514,電路如圖8所示。
三角波發(fā)生器由雙運放組成,它具有線性好、電路簡單的優(yōu)點,見圖9。為穩(wěn)定三角波的幅度,在兩個運放之間加有橋式整流器與穩(wěn)壓二極管組成的雙向限幅電路,三角波的頻率為100kHz。三角波信號與正弦波信號加到IC2的正反相輸入端,IC2為高速電壓比較器(可用運放代替),由IC2對信號進行調(diào)制,開關晶體管VT1、VT2為緩沖級,增大IC2的帶負載能力。功放級仍采用與圖4相同的帶輸入變壓器的OTL功放電路,本電路工作在開關狀態(tài),得到功率放大的調(diào)制信號經(jīng)電感L1和電容器C5組成的解調(diào)器,去掉高頻載波信號,將所需要的25Hz鈴流信號由電解電容器C4輸出。供電電源仍采用高壓方式,電源電路與圖5相同。
為穩(wěn)定輸出鈴流信號的幅度,電路加有圖10所示的穩(wěn)幅電路。
這一電路也稱AGC,即自動增益控制電路,IC1是一種被稱為“電子衰減器”的集成電路,型號為MC3400P,8腳DLL封裝,第2腳是它的增益控制端,當2腳上的直流電壓由3.5V上升到6V時,MC3400P的電壓增益由+13dB下降到-77dB,變化量為90dB,其控制電壓由輸出的鈴流信號經(jīng)分壓整流濾波后供給,其控制過程與圖4相近。IC2是通用小功率功放集成電路,起電壓調(diào)節(jié)和緩沖作用。
SPWM鈴流源體積小重量輕,功率容量大,代表了當今電路水平,也是鈴流源電路的發(fā)展方向。
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