基于ICL8038的對稱電壓源設計

摘 要： 得到三相對稱電源的最常用方法是與供電網絡連接，為解決這種局限性，設計一種單相電源到三相電源的轉換電路，由ICL8038產生正弦信號，經過RC移相，再分別運放調壓、功率放大，得到三相工頻電源。仿真結果證明：該電路效率高、帶負載能力強，適用于學校實驗室、電力機車輔助電源裝置，也可做為養路機械化和沿線其他小容量動力負荷電源裝置。

關鍵詞： ICL8038； RC移相； 功率放大； 三相對稱電源

中圖分類號： TN702?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）16?0167?04

0 引 言

隨著經濟的發展，對三相電源的使用要求日益增多。目前，得到三相對稱電源的最常用方法是跟發電供電網絡連接，取電網的三相380 V供電系統。但是很多偏遠地區只有單相交流電源，沒有三相對稱交流電源可供使用；有些地方甚至沒有交流電源，只有直流供電系統。本文根據三相對稱電源設計的指導原則，設計了基于ICL8038芯片的由單相電源到三相電源的轉換電路。

1 電路分析與設計

三相對稱電源變換電路包括以下三個主要部分：正弦信號產生電路、RC移相電路和功率放大電路。利用ICL8038芯片產生50 Hz的正弦信號，經過RC移相電路分別進行超前滯后移相120°操作，再分別經過運放調壓，得到三相對稱的正弦信號，使用TDA2030進行功率放大，最后驅動升壓變壓器得到三相工頻電源。設計原理框圖如圖1所示。

1.1 電源設計

本設計使用直流電源24 VDC單電源供電，也可由單相交流電源整流降壓得到直流電源。單電源變換為雙電源使用TDA2030集成功放，電路原理如圖2所示。其中電阻R1，R2阻值大小相同，它們組成的分壓網絡將電源的中點給放大器的同相輸入端，把放大器的反向輸入端與輸出端短接，放大器的輸出端即會嚴格輸出電源的中點。

1.2 正弦信號產生電路設計

ICL8038是近幾年出現的新型集成芯片，通過簡單外圍電路設計，可產生高精度的正弦波、方波、三角波[4]。選擇不同參數的外接電阻和電容等器件，可獲得0.01 Hz～300 kHz范圍內的頻率信號，占空比為2%～98%可調。ICL8038為產生高精度可調的正弦波信號提供了一種靈活性和精度都很高的方案[1?2]。ICL8038產生正弦波形的電路如圖3所示。

ICL8038的10端產生的正弦波的頻率是由內部恒流源對電容CT充放電電時間決定的。恒流源I1對電容CT充電，單位時間內電壓增量為：

[dV=I1CTdT] （1）

電容CT上的電壓從[VS3]增至[2VS3]的時間為：

[T1=13VSCTI1] （2）

恒流源I2對CT的放電時間為：

[T2=13VSCT（I1-I2）] （3）

在圖3中，ICL8038的7端和8端短接，因此恒流源I1對電容CT的充電電流I1為：

[I1=R1′VS[（R1′+R2′）RA]] （4）

式中：[R1=11 kΩ，R2=39 kΩ，]是ICL8038的內阻。將式（4）代入式（2）得恒流源I1對CT的充電時間為：

[T1=13VSCT{R1′VS[（R1′+R2′）RA]}=1.5RACT] （5）

恒流源I2對CT的放電電流I2為：

[I2=2R1′VS[（R1′+R2′）RB]] （6）

將式（4）、式（6）代入式（3）得恒流源I2對CT的放電時間為：

[T2=1.5RARBCT（2RA-RB）] （7）

ICL8038產生的正弦波頻率為：

[f=1（T1+T2）] （8）

將式（5）、式（7）代入式（8），且取[RA=RB=R]，得：

[f=0.33（RCT）] （9）

ICL8038最佳工作狀態為充電電流[I1=1 mA]。若頻率f 取50 Hz，則[T1+T1=20 ms]，電源電壓為24 VDC，則由式（3）可得[CT=1.25 μF]，可取[CT=1 μF]，則由式（9）可得[RA=RB=6.67 kΩ]。

為減小波形失真，通過調節ICL8038的1端和12端的電位器，可使波形失真率少于0.5%。

1.3 RC移相電路分析

對于得到的正弦波要進行移相120°操作，分別進行前移和后移，得到另外兩相正弦信號，使得三相正弦信號互差120°。由于電容器件兩端的電壓滯后電流90°相位角，電阻器件兩端的電壓與電流同相位，因此RC元件組合具有移相的作用，圖4為RC超前移相電路原理圖，圖中的各個電量的關系如圖5所示[4?5]。

將50 Hz正弦波信號超前移相60°，則電容C與電阻R之間有如下關系：

[tg ψ=UCUr=1ωCR=1314RC=3] （10）

如果[C=0.1 μF]，則[R=13143C=18.4 kΩ]。

將圖4中電容與電阻元件交換位置，可得RC滯后移相電路的原理圖，分析過程同上面的超前移相電路。

將50 Hz正弦波信號滯后移相60°，則電容C與電阻R之間有如下關系：

[tg ψ=UrUC=R1ωC=314RC=3] （11）

如果[C=0.1 μF]，則[R=3314C=55.1 kΩ]。

由上面推導可得RC超前滯后網絡參數如圖6所示，因為單個RC網絡移相電路的移相角小于90°，因此每個移相網絡均采用兩級移相，每級移相60°，即可實現120°的相位移動[6?7]。

1.4 功率放大電路

根據移相電路分析，正弦信號經過RC移相電路后，雖然相位可以變為所需要的相位差，但是信號的幅度會有不同程度的衰減[8]，即電壓幅值會不相等，因此需要使用運放對信號進行放大，調整三相正弦波信號的幅度，使其相等，可使用零飄系數小的運放OP07，調壓電路如圖7所示。

功率放大電路使用TDA2030集成功放，實際電路如圖8所示，放大器1號管腳為同相輸入端，經過一個1 μF的耦合電容將正弦信號耦合進入放大器，放大器2號管腳為反相輸入端，與4號輸出端接成負反饋放大網絡，對信號進行放大后，從輸出端輸出，其中輸出端的兩個二極管為續流管，為輸出換向時提供過壓保護[9?10]。將功率放大后的三相對稱正弦信號通過耦合變壓器進行升壓，得到所需要的三相對稱電源，如圖9所示。

2 電路仿真及結果分析

使用Matlab電路仿真軟件，對上面設計的電路進行仿真，仿真圖如圖10所示。

將電路參數設置為第1.3節中計算的結果，可以得到如圖11所示的仿真波形。

從電路仿真的情況看出，實驗原理合理，參數選取正確，波形失真率低，能夠得到預期的實驗結果，可以進行電路的實際制作。

3 結 語

本文提出了一種由直流電源（或單相交流電源）經過電路變換后得到工頻三相電源的設計思路和實現方案，可為山區或野外等地方施工提供難以取得的三相電源，具有一定的推廣實用價值。

參考文獻

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