直流载波耦合电路的分析与设计

　　所谓耦合电路就是低压电力线路与载波信号发送、载波信号接收电路之间信号连接方式的电路，通过耦合电路来实现信号的交链。根据信号种类和电路环境，采用正确的耦合方式对信号的正常传输将起到至关重要的作用。

　　1.1载波发送端耦合电路

　　本系统的信号发送端电路见图1，三极管V1、变压器T1的原边线圈（设为L2）和C3、C4组成单调谐功率放大电路。

　　

　　图1载波发送端耦合电路

　　这里谐振变压器T1有着双重作用：一方面，通过变压器耦合载波信号;另一方面，使通信电路与工频交流强电隔离。T1采用带有抽头的变压器，以减小由于V1的接入而使由C3、C4跟T1原边线圈组成的并联谐振网络的Q值降低甚至停振。

　　前级输出的高频载波小信号经由三极管V1及外围元件组成的单调谐功率放大器进行选频功率放大后，载波信号的输出功率能够提高近10倍左右。通过调整C4的大小可微调网络振荡频率。本系统选取载波中心频率为120kHz，当网络回路的固有振荡频率为120kHz时，回路谐振阻抗为最大且为纯电阻Z=R0=1/g0;回路两端的电压值也为最大值U0=IS/g0。谐振电压U0经变压器T1的副边线圈将其耦合到低压电力线上，同时变压器T1将电力线与载波发送电路相隔离。为防止电路自激，在V1发射极接入电阻R2，此电阻不能太大否则将影响发送功率。本系统取值1Ω。

　　为了将载波信号以较高的效率传输到低压电力线上。需要滤除掺杂在载波信号中的噪声和伪信号。通常，发送信号的二次谐波和三次谐波（本系统的二次谐波和三次谐波分别为240kHz和360kHz）对电网的噪声污染比较大，所以有必要对载波信号进行滤波整形。设置由L1、C1组成的串联谐振式带通滤波器，设定其振荡频率　也为120kHz。当发送的载波信号对L1、C1振荡网络串联谐振时，串联回路阻抗Z最小且为Z=r，因为它串联在电路中，频率为120kHz的载波信号极易通过，而对其它频率的信号或噪声阻抗则很大。其阻抗为Z=r+j（2πfL-12πfC）。式中：r为L1的直流内阻。可见，电容器C1和电感器L1组成的带通滤波电路对发送的载波信号能进行滤波整形。此外，电容C1还能对50HZ工频交流电起降压的作用，以减小变压器T1所承受的工频交流电压，同时也可以防止变压器T1饱和。所以C1的选择应考虑具有足够高的耐压。

　　1.2载波接收端耦合电路

　　由发送机发送的载波信号经由低压电力线传送到接收端，再由耦合电路交链到接收机。载波接收端耦合电路见图2。

　　

　　对于接收端的耦合电路，选用无源滤波器要优于有源滤波器，这是因为有源滤波器会产生一个与接收信号相当的白噪声。本系统选用无源带通滤波器（由C11、C12和L10组成），采用并联谐振回路形式。并联回路的中心频率由电容器C11、C12和电感L10的数值决定，中心频率　本系统设计值为120kHz。经计算当选取L10=68μH时，则对应（C11+C12）=25.86nF，不过这里的C11须由几个电容并联组合后才能取得该值。

　　载波耦合部分由变压器T2、电容器C10和电感器L9组成。变压器T2选用1:1的隔离变压器。电容C10将变压器与工频交流强电隔离，使通信电路能完全地隔离电力网工频信号。这样就会阻止低频信号进入电路而能使某些高频信号通过。万一电容器C10因短路而失去过滤50Hz工频信号的能力，接口电路就会被损坏。故C10要选用具有短路保护功能的X2型电容器。并联在C10两端的电阻R10是一个泄荷电阻，其作用是在设备离线时给电容C10放电提供通道，防止在设备输入端出现高压。此电阻取值可稍大些，本设计中取1MΩ。

　　电容器C10和电感器L9还组成带通滤波器，其作用一方面可将来自电力线上的其它干扰噪声、带外杂波滤除，另一方面保证前后级之间的阻抗匹配，以达到顺利传递载波信号的目的。

　　1.3接口保护电路

　　电力线上的所有设备接入或者是断开，都有可能引起尖峰脉冲，并导致收发电路的永久性损坏。同时系统可能受到诸如强雷电脉冲等瞬时过电压的干扰，所以无论在载波发送端还是载波接收端与电力线的接口耦合电路中，使用保护电路非常必要。

　　电路中，TVS是瞬变抑制二极管，起浪涌保护的作用，有效地避免后面电路被高压击穿。除电力线上会偶尔产生高压脉冲破坏器件以外，当设备刚刚接上电源时，如果电力线刚好处于电压的最大值，此时电容上的电压为0V，则会有300V以上的高压直接加在变压器两端，将引起很大的电流，从而在次级产生尖峰脉冲。这个脉冲的电流相当大，可达几十安培到上百安培，采用一般的稳压管无法消除这个脉冲，压敏电阻的响应又比较缓慢，在出现脉冲的1μs之内仍然有几十伏的电压，足以烧坏放大电路。实验表明，这种刚刚接入电路时的瞬态脉冲所产生的破坏力相当大。不过虽然它的电流很大，但能量却较小。选用的瞬变抑制二极管1.5KE6.8CA响应时间是5ns，能够吸收200A电流，瞬态功率可达1500W。

　　一般火线与零线间的干扰为差模干扰;火线与地线、零线与地线间的干扰为共模干扰。若采用一个双向稳压管只对差模尖峰信号起作用而对共模尖峰信号不起作用，当出现共模尖峰信号时就会对电路造成损坏。本系统采用3个二极管D7、D8和D9连成星形结构，如图2所示。对于差模尖峰信号，D7和D8构成一个双向稳压管;对于共模尖峰信号，这种星形结构相当于2个双向稳压管。

　　在图2电路中，稳压二极管D10、D11组成了双向限幅电路，当接收信号幅度等于或大于稳压管的稳压值时，稳压管将接收信号的电位箝制在稳压值上，防止信号幅度太大而损坏后面的解码集成电路。R11、R12是并联谐振网络的隔离电阻，这里取27kΩ。