曾廣平

1 研究背景

美國哈里斯公司生產(chǎn)的3DX50全固態(tài)中波發(fā)射機（以下簡稱3DX發(fā)射機）設(shè)計上具備交流輸入電壓過、欠壓監(jiān)測功能。日常使用維護中作者發(fā)現(xiàn)該機出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：外電網(wǎng)投電容改善功率因素時，3DX發(fā)射機檢測到交流輸入電源故障和循環(huán)故障，將發(fā)射機封鎖并重新播音；在外電失壓時，發(fā)射機沒有檢測到故障。作者分析電路發(fā)現(xiàn)這是精密半波整流電路在該發(fā)射機中應(yīng)用不恰當所致。

2 精密半波整流電路

整流就是把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡ㄟ^二極管等單向?qū)ㄆ骷瓿?。而交流小信號的整流，直接使用二極管進行整流的話，引入了約0.7VDC的導(dǎo)通電壓，會嚴重影響信號電壓波形細節(jié)，需要二極管和其他器件的配合使用避免這樣的誤差。常見的是利用運算放大器的放大作用削弱二極管導(dǎo)通電壓而制作各種精密整流電路。圖1就是精密半波整流電路的一種基本模式。

圖1 精密半波整流電路

精密半波整流電路將二極管D1、D2放到運算放大器A的輸出端，運放的同相輸入端接地，反相輸入端通過電阻R1連接輸入信號。輸出信號通過R2反饋到反響輸入端。一般運算放大器的開環(huán)增益高達100 dB，若同相、反相輸入端電壓相差10 uV，開環(huán)輸出電壓達到1 V，可以導(dǎo)通二極管，這樣就滿足大多數(shù)小信號整流的精度需求。

圖1中電路我們可以如下解讀。一是，輸入電壓Vi大于0時，運放A輸出負壓，導(dǎo)致二極管D1導(dǎo)通，D2截止。此時，運放A與外電路構(gòu)成一個輸出端開路的電壓跟隨器。而運算放大器的“虛短”特性，導(dǎo)致反相輸入端電壓V2被同相輸入端V1鎖定為0，并且由于D2截止，R2沒有電流通過，電路輸出Vo=V2=0。二是，當輸入電壓Vi小于0時，運放A輸出正壓，導(dǎo)致二極管D1截止、D2導(dǎo)通，電路變成一個反相放大器，當R1=R2時，Vo=-Vi。這樣，電路將輸入信號的正壓消除，并將Vi的負壓反相，達到整流的目的。

3 3DX發(fā)射機交流輸入電壓監(jiān)測電路

交流輸入電壓監(jiān)測電路（以下簡稱監(jiān)測電路）的構(gòu)成，如圖2所示分成3個部分：降壓電路、整流濾波電路、判斷電路。其中，最關(guān)鍵的整流濾波電路就是精密半波整流電路增加濾波部分擴展而成。

3.1 降壓電路

降壓電路是整個監(jiān)測電路的開端，發(fā)射機三相輸入電源A、B、C通過保險反饋板傳輸?shù)礁邏航涌诎迳系碾妷簜鞲衅鱈V25-P進行隔離和降壓。電路如圖3所示，其中F1～F3是60 V、0.15 A的自恢復(fù)保險絲，R4～R9是68.1 kΩ、3 W的大功率電阻，R10～R12是115 Ω的電阻，LV25-P是轉(zhuǎn)換比為2 500∶1 000的霍爾電壓傳感器。以V_AC1為例，A、B相電源通過電阻R5和R7為LV25-P提供原邊電流，經(jīng)電壓傳感器轉(zhuǎn)換后，通過R10的作用轉(zhuǎn)換成小信號電壓，計算式子如下：

其中UA、UB分別為311sin(314t)V、311sin(314t-120°)V，將各電阻值代入（1）式，得到V_AC1=1.137sin(314t+30°)V，同樣地可以得到V_AC2=1.137sin(314t-90°)V，V_AC3=1.137sin(314t+150° )V。

3.2 整流濾波電路

整流濾波電路如圖4所示：R190和C100組成低通濾波器，濾除V_AC1的高頻成分后得到電壓信號VL。U25A和 CR9、CR11、R193、R194、R195組成精密半波整流電路對VL進行濾波，R193～R195組成可調(diào)的負反饋支路，具備輸出電壓調(diào)整功能。C105和R196組成濾波支路，將信號處理為平直的波形。U25B與周邊電路組成電壓跟隨器，以阻抗變換的方式隔離負反饋支路與電容C105。

按精密半波整流電路的思路進行分析，整流濾波電路具體工作過程有兩點。一是，當U25A同相輸入端電壓高于反相輸入端時，CR9截止，CR11導(dǎo)通，整流濾波電路進入充電狀態(tài)。此時，U25A可視為一個電流為40mA的電流源，對C105充電，輸出電壓隨之升高。（實際電路中，受限于輸入電壓VL的抬升速度，電容C105充電時伏安特性是近似正弦波，而不是直線。但充電時間極短，用直線近似帶來的誤差并不影響本文結(jié)論。）二是，當U25A同相輸入端電壓低于反相輸入端時，CR9導(dǎo)通，CR11截止，整流濾波電路進入放電狀態(tài)。此時，C105與U25A斷開，C105通過并聯(lián)的R196放電，輸出電壓隨之降低。

這兩個過程不斷循環(huán)，輸出電壓不斷起伏，形成如圖5中的振蕩信號V_DC1。通過選取適當?shù)脑骷?，減少電容充放電幅度，經(jīng)過加電初期的振蕩后就能得到平穩(wěn)的直流電壓。（有同行曾分析這是一個RC積分電路，但從電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)來看，三相380 VAC交流輸入信號寬度為20 ms，電容C105為1μF，運放輸出電阻與CR11導(dǎo)通電阻之和需要達到100kΩ才能滿足積分電路的先決條件：RC電路的時間常數(shù)遠大于輸入信號的寬度。）

整流濾波電路的輸出電壓V_DC1能達到的最大值計算如下：

通過低通濾波器后的電壓信號VL：

將R190、C100等各值代入（2）式，得出VL=1.09sin(314t+14°)V。

根據(jù)運放的“虛短”和“虛斷”特性，分析運放U25A反向輸入端的電流情況：

將VLm=109VDC及各電阻值代入（3）式，R195取0 Ω時，V_DC1=2.18 VDC，R195取 5 kΩ 時，V_DC1=2.78 VDC。R195用于微調(diào)V_DC1，保證控制板中電壓顯示的正確性。同樣地，可以計算出V_DC2、3的電壓與V_DC1相等。

3.3 判斷電路

圖2 交流輸入電壓監(jiān)測電路

圖3 降壓電路

圖4 整流濾波電路

圖5 整流濾波電路輸出電壓波形示意

判斷電路的構(gòu)成如圖6所示，U35A～D均為運算放大器LM324A，電路功能如下：一是，U35A為主構(gòu)成的反相加法器對三路直流信號進行算術(shù)平均，再通過U35B為主構(gòu)成的反相器，就得到參考電壓V_REF；二是，V_REF通過U35C、R336和R339組成的比例放大器放大到105%，得到過壓比較器的門限電壓V_OV；三是，V_REF經(jīng)R306和R307串聯(lián)分壓取其95%（實際為96.5%，技術(shù)手冊標注為95%），得到欠壓比較器的門限電壓V_UV，并且經(jīng)U35D構(gòu)成的電壓跟隨器完成阻抗變換提高扇出能力，統(tǒng)一與V_O V信號的時延；四是，U_OV和U_UV各自被延時15 μs（運放LM324A響應(yīng)時間約5 μs），與未經(jīng)延時的V_DC1等三路信號進行比較，就得到三組過壓、欠壓的邏輯信號。

對前面的分析進行總結(jié)，電阻R196和C105保證監(jiān)測電路門限電平的穩(wěn)定性和靈敏度；電阻R206、R207決定欠壓門限的比例，電阻R336、R339決定過壓門限的比例。U35A～D的響應(yīng)時間決定最長比較時間。監(jiān)測電路的設(shè)計思路如下。第一，對三相380 VAC輸入電源進行采樣，得到三路約1/473線電壓大小的交流取樣信號。交流取樣信號通過整流、濾波、放大，得到三路2～2.55倍于交流取樣信號峰值的直流取樣信號。這三路取樣信號一方面送到控制板進行電壓顯示計算，另一方面通過算術(shù)平均、延時15μs并上下浮動5%成為過、欠壓電路的門限電平。第二，當380 VAC輸入電源升高時，C105進入充電狀態(tài)，直流取樣信號增大，若比15 μs前的信號高5%則監(jiān)測電路輸出過壓信號，通知發(fā)射機執(zhí)行交流輸入電源故障和循環(huán)故障。第三，當380 VAC輸入電源降低時，C105進入放電狀態(tài)，直流取樣信號減少，若比15 μs前的信號低5%則監(jiān)測電路輸出欠壓信號，通知發(fā)射機關(guān)閉高壓，停止播音。

圖6 判斷電路

4 電路的應(yīng)用問題

本文開始提及的兩種情況對應(yīng)了監(jiān)測電路在過壓、欠壓兩種情況下工作不完善的情況。

輸入電源電壓升高時，電容C105充電，并聯(lián)的電阻R196阻值為1 MΩ，通過的電流不超過5 μA，所以，我們根據(jù)電容電量與電壓關(guān)系、電量與電流關(guān)系，有如下的式子：

式子（4）中ΔU、Δt為電容C105上電壓充電增加電壓與所需的時間，C105為1 μF，Iop為運放U25A的輸出電流40 mA?？梢运愠觯珻105上電壓增加5%（以2.78VDC為例）所需要的時間是3.5 μs；若持續(xù)充電15 μs，電壓增加0.6VDC，對2.78VDC而言是22%的升幅。

可見，廠家設(shè)計的過壓電路非常靈敏，并把外電網(wǎng)投電容時電壓升高也作為故障處理。若要降低靈敏度來消除這種情況，有如下三種辦法：增大C105的電容量（增至5 μF左右）；減少運放U25A的輸出電流（減至8mA左右）；增加過壓門限電平。前兩種辦法降低了整流濾波電路的靈敏度，影響整體電路功能。作者觀察到外網(wǎng)投電容后電壓升高20 VAC左右，僅僅比5%的要求高出少許，采取調(diào)整R336和R339使過壓門限增幅為8%的辦法，試驗發(fā)射機工作正常，不再誤報警。

輸入電源電壓降低時，C105通過R196放電，有電容放電公式：

式子（5）中U0是電容初始電壓，我們?nèi)≥敵鲭妷旱淖罡咧?.78VDC，Ut是時刻t的電容電壓，R196與C105的乘積是放電電路的時間常數(shù)?？梢运愠?，持續(xù)放電15 μs，電容C105上的電壓降至99.9985%。而原電路將欠壓門限設(shè)置為95%，導(dǎo)致監(jiān)測電路不可能檢測到欠壓的情況。

事實上，原廠家設(shè)計時一方面要求監(jiān)測電路將周期為20 ms的正弦交流信號整流濾波為振幅不超過5%的直流電壓；另一方面又要求它能檢測出交流信號15 μs內(nèi)超過5%的降幅。精密半波整流電路無法完成這樣矛盾的功能，這是設(shè)計錯誤導(dǎo)致發(fā)射機相應(yīng)功能失效。

[1]Philips Semiconductors,LM324A datasheet（飛利浦LM324A數(shù)據(jù)手冊）[EB/OL].(2016-08-23)[2017-12-29].http://www.elecfans.com/soft/68/guide/2016/20160819432214.html.