直流載波耦合電路的分析與設計

所謂耦合電路就是低壓電力線路與載波信號發送、載波信號接收電路之間信號連接方式的電路，通過耦合電路來實現信號的交鏈。根據信號種類和電路環境，采用正確的耦合方式對信號的正常傳輸將起到至關重要的作用。

1.1載波發送端耦合電路

本系統的信號發送端電路見圖1，三極管V1、變壓器T1的原邊線圈(設為L2)和C3、C4組成單調諧功率放大電路。

圖1載波發送端耦合電路

這里諧振變壓器T1有著雙重作用：一方面，通過變壓器耦合載波信號;另一方面，使通信電路與工頻交流強電隔離。T1采用帶有抽頭的變壓器，以減小由于V1的接入而使由C3、C4跟T1原邊線圈組成的并聯諧振網絡的Q值降低甚至停振。

前級輸出的高頻載波小信號經由三極管V1及外圍元件組成的單調諧功率放大器進行選頻功率放大后，載波信號的輸出功率能夠提高近10倍左右。通過調整C4的大小可微調網絡振蕩頻率。本系統選取載波中心頻率為120kHz，當網絡回路的固有振蕩頻率

為120kHz時，回路諧振阻抗為最大且為純電阻Z=R0=1/g0;回路兩端的電壓值也為最大值U0=IS/g0。諧振電壓U0經變壓器T1的副邊線圈將其耦合到低壓電力線上，同時變壓器T1將電力線與載波發送電路相隔離。為防止電路自激，在V1發射極接入電阻R2，此電阻不能太大否則將影響發送功率。本系統取值1Ω。

為了將載波信號以較高的效率傳輸到低壓電力線上。需要濾除摻雜在載波信號中的噪聲和偽信號。通常，發送信號的二次諧波和三次諧波(本系統的二次諧波和三次諧波分別為240kHz和360kHz)對電網的噪聲污染比較大，所以有必要對載波信號進行濾波整形。設置由L1、C1組成的串聯諧振式帶通濾波器，設定其振蕩頻率

　也為120kHz。當發送的載波信號對L1、C1振蕩網絡串聯諧振時，串聯回路阻抗Z最小且為Z=r，因為它串聯在電路中，頻率為120kHz的載波信號極易通過，而對其它頻率的信號或噪聲阻抗則很大。其阻抗為Z=r+j(2πfL-12πfC)。式中：r為L1的直流內阻。可見，電容器C1和電感器L1組成的帶通濾波電路對發送的載波信號能進行濾波整形。此外，電容C1還能對50HZ工頻交流電起降壓的作用，以減小變壓器T1所承受的工頻交流電壓，同時也可以防止變壓器T1飽和。所以C1的選擇應考慮具有足夠高的耐壓。

1.2載波接收端耦合電路

由發送機發送的載波信號經由低壓電力線傳送到接收端，再由耦合電路交鏈到接收機。載波接收端耦合電路見圖2。

對于接收端的耦合電路，選用無源濾波器要優于有源濾波器，這是因為有源濾波器會產生一個與接收信號相當的白噪聲。本系統選用無源帶通濾波器(由C11、C12和L10組成)，采用并聯諧振回路形式。并聯回路的中心頻率由電容器C11、C12和電感L10的數值決定，中心頻率　

本系統設計值為120kHz。經計算當選取L10=68μH時，則對應(C11+C12)=25.86nF，不過這里的C11須由幾個電容并聯組合后才能取得該值。

載波耦合部分由變壓器T2、電容器C10和電感器L9組成。變壓器T2選用1:1的隔離變壓器。電容C10將變壓器與工頻交流強電隔離，使通信電路能完全地隔離電力網工頻信號。這樣就會阻止低頻信號進入電路而能使某些高頻信號通過。萬一電容器C10因短路而失去過濾50Hz工頻信號的能力，接口電路就會被損壞。故C10要選用具有短路保護功能的X2型電容器。并聯在C10兩端的電阻R10是一個泄荷電阻，其作用是在設備離線時給電容C10放電提供通道，防止在設備輸入端出現高壓。此電阻取值可稍大些，本設計中取1MΩ。

電容器C10和電感器L9還組成帶通濾波器，其作用一方面可將來自電力線上的其它干擾噪聲、帶外雜波濾除，另一方面保證前后級之間的阻抗匹配，以達到順利傳遞載波信號的目的。

1.3接口保護電路

電力線上的所有設備接入或者是斷開，都有可能引起尖峰脈沖，并導致收發電路的永久性損壞。同時系統可能受到諸如強雷電脈沖等瞬時過電壓的干擾，所以無論在載波發送端還是載波接收端與電力線的接口耦合電路中，使用保護電路非常必要。

電路中，TVS是瞬變抑制二極管，起浪涌保護的作用，有效地避免后面電路被高壓擊穿。除電力線上會偶爾產生高壓脈沖破壞器件以外，當設備剛剛接上電源時，如果電力線剛好處于電壓的最大值，此時電容上的電壓為0V，則會有300V以上的高壓直接加在變壓器兩端，將引起很大的電流，從而在次級產生尖峰脈沖。這個脈沖的電流相當大，可達幾十安培到上百安培，采用一般的穩壓管無法消除這個脈沖，壓敏電阻的響應又比較緩慢，在出現脈沖的1μs之內仍然有幾十伏的電壓，足以燒壞放大電路。實驗表明，這種剛剛接入電路時的瞬態脈沖所產生的破壞力相當大。不過雖然它的電流很大，但能量卻較小。選用的瞬變抑制二極管1.5KE6.8CA響應時間是5ns，能夠吸收200A電流，瞬態功率可達1500W。

一般火線與零線間的干擾為差模干擾;火線與地線、零線與地線間的干擾為共模干擾。若采用一個雙向穩壓管只對差模尖峰信號起作用而對共模尖峰信號不起作用，當出現共模尖峰信號時就會對電路造成損壞。本系統采用3個二極管D7、D8和D9連成星形結構，如圖2所示。對于差模尖峰信號，D7和D8構成一個雙向穩壓管;對于共模尖峰信號，這種星形結構相當于2個雙向穩壓管。

在圖2電路中，穩壓二極管D10、D11組成了雙向限幅電路，當接收信號幅度等于或大于穩壓管的穩壓值時，穩壓管將接收信號的電位箝制在穩壓值上，防止信號幅度太大而損壞后面的解碼集成電路。R11、R12是并聯諧振網絡的隔離電阻，這里取27kΩ。