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激磁電源是自整角機、旋轉變壓器、感應同步器、感應移相器等微特電機的必備供電電源，也是分解器數字轉換器(RDC)模塊的主要電源之一，在慣導、雷達、自動跟蹤等自動化設備中應用廣泛。傳統的激磁電源的設計，都是采用先設計正弦信號源，再經過衰減或放大，然后進行功率放大的模式。這種設計方式由于電路工作環節多，導致電路復雜、效率低、成本高，溫度穩定性不好，可靠性下降。高電壓、大電流、小體積的功率運算放大器的出現，為簡化激磁電源設計，提高設計質量提供了可行性。采用功率運放直接組成維恩電橋振蕩電路，通過自激振蕩產生驅動功率足夠的正弦波。采用這種方式設計的激磁電源，不僅結構簡單、成本低，并且失真度小，具有穩頻、穩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，根據實際供電電壓的情況和負載的具體要求，可提供相同頻率的3種不同幅值的正弦波輸出。基于功率運放的維恩電橋振蕩器產生基本的正弦波輸出；經過功率運放反相后，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；對于感性負載，可通過串聯諧振電容，利用LC串聯諧振原理得到更高幅值的輸出。 1．1核心器件的選用 構成維恩電橋的功率運算放大器作為激磁電源的核心器件，要求能適應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，選用了BB公司的高電壓大電流功率運放OPA548(TO-220-7封裝)，可單、雙電源供電，雙電源供電范圍為±4～±30V，連續工作輸出電流3A(峰值5A)，在環境溫度-40度～+85度范圍內輸入電壓溫度漂移為±30μV／℃，并具備輸出使能控制、熱關斷保護、電流限制可調等功能。 1．2 振蕩器穩幅穩頻工作原理 維恩電橋振蕩器及其反相驅動電路如圖2所示。振蕩頻率由R1、R4、C1、C3決定，基本不受功率運算放大器本身和電源的影響。應選用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定。自激振蕩器工作原理：運算放大器并非理想器件，一旦電路上電，運算放大器會產生輸出噪聲，通過反饋網絡R4、C3反饋至運放的同相輸入端，成為輸入信號。由于正反饋作用，形成正弦振蕩，并且振幅逐漸增大，直至接近電源電壓，輸出振幅達到飽和，通過調節可變電阻R3改變運放增益，使輸出正弦波幅值達到所要求的范圍。 由巴克豪森判據可知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，將該端通過限流電阻接到負電源端可以設置電流大小。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，最大只能輸出被限制的電流參數I。 該振蕩電路采用雙向穩壓二極管穩幅方式，如圖2所示，D7為雙向穩壓二極管，型號為2CW234．在運放反饋輸入端接入以穩定振幅。D7是穩定正弦波幅度的關鍵器件，其自身的溫度穩定性一定要好，應選用工業級以上的低溫漂產品。經實際檢測，其中頻率波動≤±lHz，電壓波動≤±1％，波形失真度≤l％。為了便于觀察電路是否起振，設計了LED振蕩指示電路。電路振蕩時，正弦波信號通過電阻Rs、電容C4驅動發光二極管D5發光。C4起隔直作用，保證電路未起振時D5為熄滅狀態。 1．3 反相輸出及LC串聯諧振 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。通常自動控制系統使用的激磁電源有效值為36 v或26 v，若要產生有效值為36V的激磁電源，則正弦波的峰-峰值為 如果使用±30v雙電源供電，由0PA548構成的振蕩器最高可以提供有效值為21 v的激磁電源，經過反相疊加后，可以提供有效值為26v或36 v的激磁電源。但對于只提供常規低電壓供電的系統，如±15 v供電的系統，就無法提供有效值為26v或36v的激磁電壓，這時可以采用LC串聯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是旋轉變壓器的電感，C是串聯電容，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，電感兩端電壓有可能超過額定電壓，可調節R3使輸出電壓有效值為36V。 1．4電路保護措施 理想狀態下，LC串聯諧振電路完全諧振時電感和電容兩端電壓大小相等，相位相反，互相抵消。但實際元件并不能使電路達到完全諧振狀態，那么功率運放輸出端的電壓有可能在正弦峰值時超出電源電壓，損壞功率運放。通過兩個鉗位二極管對低內阻的電源放電，以防止意外的峰值電壓造成損壞。二極管采用超快恢復二極管，其連續電流應大于功率運放峰值電流，反向耐壓值應至少為電源電壓的兩倍，電路設計中選用的是HER604(6A／300V)。] 2 應注意的問題 圖2中R2與R3的參數特別是溫度系數要一致，否則，在高溫和低溫時，有可能出現振蕩器不起振，或者振蕩波形失真的現象。電路調整完畢，R3的調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變化的可能性。穩壓二極管對激磁電源電路的輸出電壓的穩定性影響較大，需要選擇溫漂小的雙向穩壓二極管，最好選用帶溫度補償的穩壓二極管。這樣即使電源電路長期連續工作，其輸出的正弦波頻率及電壓參數以及波形失真度仍能滿足使用要求，保證應用激磁電源的系統的精度。 3 結語 無信號源的自激式激磁電源的設計，突破了傳統的激磁電源的設計理念，減少了設計環節，簡化了電源結構，降低了電路成本，提高了可靠性。經實際應用，能夠長期穩定地工作，輸出電壓的頻率和幅值穩定精度高。特別是功率運放反相驅動和LC串聯諧振原理的應用，使一套振蕩器電路可以同時輸出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，適應性強，應用廣泛。 |
