引言
激磁电源是自整角机、旋转变压器、感应同步器、感应移相器等微特电机的必备供电电源,也是分解器数字转换器(RDC)模块的主要电源之一,在惯导、雷达、自动跟踪等自动化设备中应用广泛。传统的激磁电源的设计,都是采用先设计正弦信号源,再经过衰减或放大,然后进行功率放大的模式。这种设计方式由于电路工作环节多,导致电路复杂、效率低、成本高,温度稳定性不好,可靠性下降。高电压、大电流、小体积的功率运算放大器的出现,为简化激磁电源设计,提高设计质量提供了可行性。采用功率运放直接组成维恩电桥振荡电路,通过自激振荡产生驱动功率足够的正弦波。采用这种方式设计的激磁电源,不仅结构简单、成本低,并且失真度小,具有稳频、稳幅功能和良好的低温漂性能。
1 直接振荡式激磁电源电路组成及工作原理
图1是自激式激磁电源原理框图,根据实际供电电压的情况和负载的具体要求,可提供相同频率的3种不同幅值的正弦波输出。基于功率运放的维恩电桥振荡器产生基本的正弦波输出;经过功率运放反相后,从其输出端和反相输入端可得到幅值叠加为基本正弦波幅值2倍的频率相同的正弦波输出;对于感性负载,可通过串联谐振电容,利用LC串联谐振原理得到更高幅值的输出。
1．1核心器件的选用
构成维恩电桥的功率运算放大器作为激磁电源的核心器件,要求能适应较宽的电源电压范围,并能输出较大电流,具备良好的低温漂特性。综合考虑性能、体积参数,选用了BB公司的高电压大电流功率运放OPA548(TO-220-7封装),可单、双电源供电,双电源供电范围为±4～±30V,连续工作输出电流3A(峰值5A),在环境温度-40度～+85度范围内输入电压温度漂移为±30μV／℃,并具备输出使能控制、热关断保护、电流限制可调等功能。
1．2 振荡器稳幅稳频工作原理
维恩电桥振荡器及其反相驱动电路如图2所示。振荡频率由R1、R4、C1、C3决定,基本不受功率运算放大器本身和电源的影响。应选用1／1000精度的金属膜电阻和高性能的聚酯电容以保证频率稳定。自激振荡器工作原理：运算放大器并非理想器件,一旦电路上电,运算放大器会产生输出噪声,通过反馈网络R4、C3反馈至运放的同相输入端,成为输入信号。由于正反馈作用,形成正弦振荡,并且振幅逐渐增大,直至接近电源电压,输出振幅达到饱和,通过调节可变电阻R3改变运放增益,使输出正弦波幅值达到所要求的范围。
由巴克豪森判据可知AB=1是振荡的临界条件。其中
因此,维恩电桥自激振荡要满足增益A>3的要求。
0PA548有限流控制端,将该端通过限流电阻接到负电源端可以设置电流大小。限流电阻R1为
式中：I为OPA548所限制的由R1决定的输出电流(O<l<5A),电路限流时,最大只能输出被限制的电流参数I。
该振荡电路采用双向稳压二极管稳幅方式,如图2所示,D7为双向稳压二极管,型号为2CW234．在运放反馈输入端接入以稳定振幅。D7是稳定正弦波幅度的关键器件,其自身的温度稳定性一定要好,应选用工业级以上的低温漂产品。经实际检测,其中频率波动≤±lHz,电压波动≤±1％,波形失真度≤l％。为了便于观察电路是否起振,设计了LED振荡指示电路。电路振荡时,正弦波信号通过电阻Rs、电容C4驱动发光二极管D5发光。C4起隔直作用,保证电路未起振时D5为熄灭状态。
1．3 反相输出及LC串联谐振
功率正弦波振荡器输出电压的幅值,与振荡器供电电压密切相关。通常自动控制系统使用的激磁电源有效值为36 v或26 v,若要产生有效值为36V的激磁电源,则正弦波的峰-峰值为
使用单级运放则至少需要±5l v的电源输入范围。
如果使用±30v双电源供电,由0PA548构成的振荡器最高可以提供有效值为21 v的激磁电源,经过反相叠加后,可以提供有效值为26v或36 v的激磁电源。但对于只提供常规低电压供电的系统,如±15 v供电的系统,就无法提供有效值为26v或36v的激磁电压,这时可以采用LC串联谐振的方式使电压有效值升到36v,等效电路如图3所示。
图3中L是旋转变压器的电感,C是串联电容,R是电路的总电阻,即R=RL+RC(RL和RC分别为电感元件和电容元件的电阻);US为激磁电源,相当于图2中输出1与输出2之间输出的激磁电源,ω为电源角频率。电路输入阻抗Z为
完全谐振时,电感两端电压有可能超过额定电压,可调节R3使输出电压有效值为36V。
1．4电路保护措施
理想状态下,LC串联谐振电路完全谐振时电感和电容两端电压大小相等,相位相反,互相抵消。但实际元件并不能使电路达到完全谐振状态,那么功率运放输出端的电压有可能在正弦峰值时超出电源电压,损坏功率运放。通过两个钳位二极管对低内阻的电源放电,以防止意外的峰值电压造成损坏。二极管采用超快恢复二极管,其连续电流应大于功率运放峰值电流,反向耐压值应至少为电源电压的两倍,电路设计中选用的是HER604(6A／300V)。
2 应注意的问题
图2中R2与R3的参数特别是温度系数要一致,否则,在高温和低温时,有可能出现振荡器不起振,或者振荡波形失真的现象。电路调整完毕,R3的调整值最好换成相同阻值的固定金属膜电阻,以减小阻值漂移引起激磁电源参数变化的可能性。稳压二极管对激磁电源电路的输出电压的稳定性影响较大,需要选择温漂小的双向稳压二极管,最好选用带温度补偿的稳压二极管。这样即使电源电路长期连续工作,其输出的正弦波频率及电压参数以及波形失真度仍能满足使用要求,保证应用激磁电源的系统的精度。
3 结语
无信号源的自激式激磁电源的设计,突破了传统的激磁电源的设计理念,减少了设计环节,简化了电源结构,降低了电路成本,提高了可靠性。经实际应用,能够长期稳定地工作,输出电压的频率和幅值稳定精度高。特别是功率运放反相驱动和LC串联谐振原理的应用,使一套振荡器电路可以同时输出3种不同幅值的正弦波电压,能够满足不同的使用需求。体积小,功能全,适应性强,应用广泛。