摘要:電力線通信也稱之為PLC,此類通信方式需要用到的信號有電力傳輸數(shù)據(jù)以及語音等。本文從特點(diǎn)方面,對L-PLC系統(tǒng)進(jìn)行了基本的分析,在放大電路功率時應(yīng)用了分立元件和TLE2301,并在實(shí)地進(jìn)行了測量。結(jié)合對低壓PLC通信所提出的特殊要求,對一個能夠大范圍輸出信號、輸出阻抗并不大的功率放大器進(jìn)行了設(shè)計(jì)制作,在該設(shè)備中應(yīng)用了TLE2301后實(shí)現(xiàn)了對電源效率的提升。
關(guān)鍵詞:電力線載波通信;功率放大電路;TLE2301;三態(tài)控制
一、功率放大電路簡介
相比以往在電路中放大電壓或電流不同的是,在電路中放大功率是為了實(shí)現(xiàn)對大功率的輸出,主要具有提供負(fù)載功率的功能,其能夠?qū)崿F(xiàn)對負(fù)載的直接驅(qū)動,具有較強(qiáng)的帶載能力。對于部分通用設(shè)備來說,我們需要對其輸出電流或電壓大小加以及輸出功率加以考慮,如此能夠?yàn)檎_\(yùn)行提供相應(yīng)的負(fù)載,例如揚(yáng)聲器以及電動機(jī)的音圈或控制繞組等等[1]。
二、低壓電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)及信道分析
DSP設(shè)備中所進(jìn)入的低壓電力線信號不僅經(jīng)過了耦合網(wǎng)絡(luò)以及濾波網(wǎng)絡(luò)的處理,并且經(jīng)過了增益設(shè)備的自動放大,信號在經(jīng)過功率放大器以及耦合網(wǎng)絡(luò)的處理后,會進(jìn)入到低壓電力線中,進(jìn)而將信號發(fā)送給低壓電力線,并被低壓電力線所接收。
由于所接入和切除的用戶負(fù)荷是隨機(jī)的,因此低壓PLC通信相比普通有線通信線路具有更加復(fù)雜的衰減特性,隨機(jī)性和時變性非常強(qiáng)??偟膩碚f,頻率越大電力線上就會出現(xiàn)越大的衰減;然而由于部分頻率點(diǎn)在負(fù)載情況下存在著共振問題,并且傳輸線會對其造成影響,因此,會突然出現(xiàn)快速衰減,一般來說此類頻率會出現(xiàn)長時間的選擇性衰落,并且不會出現(xiàn)大范圍的影響頻率[2]。再加上低壓配電網(wǎng)具有較多的分支節(jié)點(diǎn),各節(jié)點(diǎn)具有不相匹配的節(jié)點(diǎn),因此會出現(xiàn)反射信號以及諧振信號等。并且通常來說低壓電力線載波網(wǎng)絡(luò)中不存在阻波器,降低了多徑干擾的形成難度。
整個系統(tǒng)中的功率放大器是最重要的部分之一。由于該設(shè)備在處理信號的過程中需要縮小信號,信號在經(jīng)過調(diào)制以及處理后,由于電力線存在著一定的阻抗,因此直接在耦合電路中聯(lián)入會由于信號過小而出現(xiàn)快速衰減,因此無法成功通信。所以,必須要借助現(xiàn)代技術(shù)來放大信號功率,以此來順利的進(jìn)行通信。在結(jié)合了實(shí)際情況后,發(fā)現(xiàn)功率放下器主要應(yīng)用了如下技術(shù):
(1)其所輸出的功率足夠大,因此能夠正常的在耦合系統(tǒng)和相關(guān)電路中正常傳輸信號;
(2)功率放大器需要具有能夠匹配耦合電路阻抗的額定負(fù)載阻抗;
(3)由于電力線具有變化較大的負(fù)荷,因此放電路需要能夠帶負(fù)載;
(4)功率放大器需要能夠穩(wěn)定工作,并具有可靠的性能[3]。
三、基于 TLE2301 的功率放大電路設(shè)計(jì)
本文根據(jù)OTL的典型特征對如圖2所示的實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行了搭建。該電力的電壓放大器在前端,后端的ui能夠?qū)⑿盘栞斎氲絆TL電路中,Vcc中接的直流電源為12V,u0口能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的輸出。
為了滿足系統(tǒng)功率要求,兩個三極管分別采用G1=TIP41C,G2=TIP42C。為了使整個電路的效果達(dá)到最佳狀態(tài),調(diào)整R1,R2,RL 使放大倍數(shù)達(dá)到最佳狀態(tài)。
①當(dāng) R1= 2KΩ,R2=2KΩ,RL=750Ω,C1=C2=0.1μF。經(jīng)過測 試,此時直流電源由12V降為10V,而且G1,G2發(fā)熱,微燙。經(jīng) 過分析這是由于R1,R2較小,即電路的輸入電阻較小,致使直 流電源電壓輸出減小。
②當(dāng) R1= 10KΩ,R2=10KΩ,RL=750Ω,C1=C2=0.1μF。經(jīng)過 測試輸入 ui 為 5V 時,不失真的情況下最大輸出電壓 uo 為 4.8V (再增大則出現(xiàn)削波失真) 此時的原因是由于 R1,R2 太大,Vbe 無法達(dá)到微導(dǎo)通電壓。
③當(dāng) R1= 5.1KΩ,R2=5.1KΩ,RL=510Ω,C1=C2=0.1μF。經(jīng) 過測試輸入ui為7.4V時,不失真的情況下最大輸出電壓 uo 為 7.2V 此時測得直流電源電壓不變,仍為 12V,輸入信號達(dá)到臨 界狀態(tài)。
由分立元件設(shè)計(jì)的功率放大電路能滿足基本設(shè)計(jì)要求,但是實(shí)測效果并不是很好,在 12V 直流電源情況下,所能輸出 的最大電壓為 7.2V;其頻率范圍比較寬,選頻特性比較差;對 于 150Ω 以后的電阻輸出電壓穩(wěn)定,帶負(fù)載能力一般。為了進(jìn) 一步改進(jìn)功率放大效果,根據(jù)系統(tǒng)要求,我們選定 Texas 公司 開發(fā)的 TLE2301 進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。
(一)TLE2301 簡介
本文所選用的TLE2301是由Texas公司設(shè)計(jì)的,具有放大電路功率的功能,采用該電路能夠放大發(fā)送信號的功率。TLE2301能夠運(yùn)放寬帶功率,它的2和AB類輸出級具有良好的保真效果,各輸出級都能夠?qū)崿F(xiàn)對500mA以上的電流輸出,所以在高頻率下能夠?qū)崿F(xiàn)對1A最大電流的輸出,并且總諧波具有較高的保真能力。想要提升輸出級的阻抗,就可以控制對芯片的三態(tài)進(jìn)行控制,減少電源電流不超過3.5mA,同時將Excalibur應(yīng)用到了該器件中,因此電壓具有了12V/us的轉(zhuǎn)換率。此外,該芯片具有8MHz的增益帶寬積,而本文在放大電路功率后,信號達(dá)到了50kHz-100kHz頻帶范圍,電壓+4V/V增益,根據(jù)相關(guān)定義通過與增益帶寬積的結(jié)合得知,通過對該款功放芯片的使用,能夠?yàn)楸菊n題設(shè)計(jì)提供完全滿足需求的參數(shù)。本文設(shè)計(jì)了如圖3所示的功放電路,IN和OUT端分別能夠輸入和輸出未放大和放大后的信號。
其主要特點(diǎn)如下:
1)具有 1A 的高輸出驅(qū)動能力(最小);
2)具有三態(tài)輸出;
3)增益帶寬積達(dá) 8MHz (典型);
4)總諧波失真小于 0. 08 %(典型) ;
5)轉(zhuǎn)換速率高達(dá) 12V/μs ;
6)AB 類輸出級;
7)具有過熱關(guān)斷功能;
8)可用于電力線路的信號電路驅(qū)動
(二)基于TLE2301的功率放大電路
本文所采用的TLE2301能夠在40-90kHz范圍內(nèi)工作,采用了±5V的電壓,該電路具有可擴(kuò)增到3-95kHz的實(shí)際應(yīng)用頻段。該電路的上下限頻率分別為90kHz和40kHz。如果信號范圍在40-90kHz之間,那么在電力網(wǎng)絡(luò)通220V交流電時,不會產(chǎn)生較高的阻抗,因此,能夠該電路對一個4Ω電源線的驅(qū)動僅需40-90kHz的寬帶,具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。
在進(jìn)行發(fā)送的過程中,電力網(wǎng)絡(luò)所接收到的220V交流電信號源阻抗并不高。發(fā)送器在發(fā)送和不發(fā)送信號時都處于激活狀態(tài),因此在連接部分發(fā)送器時,它們所具有的負(fù)載總和就會對電力線造成一定的影響,降低其阻抗到無法接受的程度。如此,每個阻抗較低的電力線都需要一個發(fā)送器來進(jìn)行驅(qū)動,并且發(fā)送器從遠(yuǎn)處出來的信號會出現(xiàn)明顯的衰減。為了實(shí)現(xiàn)對此類問題的解決,需要采用一個不發(fā)送信號時阻抗依然較高的發(fā)送器。所以,電力線網(wǎng)絡(luò)在任意時期都只能實(shí)現(xiàn)對部分發(fā)送回器的加載,如此能夠保證電力線良好的接受各類信號。由于TLE2301自身能夠?qū)崿F(xiàn)對三種狀態(tài)的輸出,所以,在沒有附加電路的情況下,就能夠具有該功能。此外,由于TLE2301在待機(jī)電流較低時才能夠具有三態(tài),因此,TLE2301這一低功耗器件是與理想型。圖4中顯示了各元器件所具有的詳細(xì)參數(shù)。圖中顯示了經(jīng)過1.96倍增益的功率放大器,在設(shè)置增益的過程中,需要結(jié)合RF和RI。在設(shè)計(jì)期間需要盡可能的對放大器進(jìn)行利用,以此來通過對電壓幅度的放大來盡可能的降低TLE2301的功耗。在達(dá)到飽和前,放大器可能輸出2V左右的電源電壓。
四、實(shí)測TLE2301的功率放大電路
下圖某實(shí)驗(yàn)室實(shí)際測得的TLE2301放大效果。
當(dāng)電路中接入50Ω的負(fù)載時,能夠?qū)崿F(xiàn)對100KH頻率的信號的輸入,如圖4所示為其輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系。
分析:TLE2301能夠?qū)崿F(xiàn)對40kHz-90kHz頻率的1V電壓的穩(wěn)定輸入,在4K-200KHZ頻率內(nèi)都能夠具有放大功能。所以,采用TLE2301來放大電路功率,能夠使電力線具有與要求相符的載波通信頻率。在功放電路中應(yīng)用TLE2301,能夠在4Ω的負(fù)載電壓下實(shí)現(xiàn)對電壓的穩(wěn)定輸出,而功放電路中應(yīng)用分立元件,只有在150Ω時才能夠?qū)崿F(xiàn)對電壓的穩(wěn)定輸出。所以,TLE2301具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力,適用于符合變化較大的電力線載波通信中。
結(jié)束語:
借助TLE2301芯片來對電路功率進(jìn)行放大,能夠率先對良好信噪比的提供,能夠更好的耦合和傳輸載波信號。相比以往的功率放大電路來說,其能夠?qū)崿F(xiàn)對1A電流的輸出,并且總諧波具有良好的保真性能,能夠?qū)崿F(xiàn)對三態(tài)的控制,增益帶寬積達(dá)到了8MHz,能夠在電力線路中驅(qū)動信號電路,并且可以為4Ω的負(fù)載提供驅(qū)動力,實(shí)現(xiàn)了對負(fù)載能力的顯著提升。
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作者簡介:郭栩文 2001.04 男 本科在讀 電子信息工程 上海海事大學(xué) 上海市浦東新區(qū) 201306。