无信号源的自激式激磁电源的原理及设计 (采用维恩电桥振荡器)

无信号源的自激式激磁电源的原理及设计 (采用维恩电桥振荡器)

阐述了无信号源的、采用维恩电桥振荡器直接实现功率输出的激磁电源的设计思想和工作原理，以及核心器件OPA548的性能参数、电路稳幅稳频措施和实际应用中的注意事项。介绍了通过反相叠加和LC串联谐振提高电压幅值的电源工作方式，使电路在±15v供电时能够提供稳定的36V／400Hz正弦波电压，
关键词：维恩电桥振荡器；无信号源；OPA548；LC串联谐振。

0 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   
    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。