基于ICL8038的对称电压源设计

摘 要： 得到三相对称电源的最常用方法是与供电网络连接，为解决这种局限性，设计一种单相电源到三相电源的转换电路，由ICL8038产生正弦信号，经过RC移相，再分别运放调压、功率放大，得到三相工频电源。仿真结果证明：该电路效率高、带负载能力强，适用于学校实验室、电力机车辅助电源装置，也可做为养路机械化和沿线其他小容量动力负荷电源装置。

关键词： ICL8038； RC移相； 功率放大； 三相对称电源

中图分类号： TN702?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）16?0167?04

0 引 言

随着经济的发展，对三相电源的使用要求日益增多。目前，得到三相对称电源的最常用方法是跟发电供电网络连接，取电网的三相380 V供电系统。但是很多偏远地区只有单相交流电源，没有三相对称交流电源可供使用；有些地方甚至没有交流电源，只有直流供电系统。本文根据三相对称电源设计的指导原则，设计了基于ICL8038芯片的由单相电源到三相电源的转换电路。

1 电路分析与设计

三相对称电源变换电路包括以下三个主要部分：正弦信号产生电路、RC移相电路和功率放大电路。利用ICL8038芯片产生50 Hz的正弦信号，经过RC移相电路分别进行超前滞后移相120°操作，再分别经过运放调压，得到三相对称的正弦信号，使用TDA2030进行功率放大，最后驱动升压变压器得到三相工频电源。设计原理框图如图1所示。

1.1 电源设计

本设计使用直流电源24 VDC单电源供电，也可由单相交流电源整流降压得到直流电源。单电源变换为双电源使用TDA2030集成功放，电路原理如图2所示。其中电阻R1，R2阻值大小相同，它们组成的分压网络将电源的中点给放大器的同相输入端，把放大器的反向输入端与输出端短接，放大器的输出端即会严格输出电源的中点。

1.2 正弦信号产生电路设计

ICL8038是近几年出现的新型集成芯片，通过简单电路设计，可产生高精度的正弦波、方波、三角波[4]。选择不同参数的外接电阻和电容等器件，可获得0.01 Hz～300 kHz范围内的频率信号，占空比为2%～98%可调。ICL8038为产生高精度可调的正弦波信号提供了一种灵活性和精度都很高的方案[1?2]。ICL8038产生正弦波形的电路如图3所示。

ICL8038的10端产生的正弦波的频率是由内部恒流源对电容CT充放电电时间决定的。恒流源I1对电容CT充电，单位时间内电压增量为：

[dV=I1CTdT] （1）

电容CT上的电压从[VS3]增至[2VS3]的时间为：

[T1=13VSCTI1] （2）

恒流源I2对CT的放电时间为：

[T2=13VSCT（I1-I2）] （3）

在图3中，ICL8038的7端和8端短接，因此恒流源I1对电容CT的充电电流I1为：

[I1=R1′VS[（R1′+R2′）RA]] （4）

式中：[R1=11 kΩ，R2=39 kΩ，]是ICL8038的内阻。将式（4）代入式（2）得恒流源I1对CT的充电时间为：

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

恒流源I2对CT的放电电流I2为：

[I2=2R1′VS[（R1′+R2′）RB]] （6）

将式（4）、式（6）代入式（3）得恒流源I2对CT的放电时间为：

[T2=1.5RARBCT（2RA-RB）] （7）

ICL8038产生的正弦波频率为：

[f=1（T1+T2）] （8）

将式（5）、式（7）代入式（8），且取[RA=RB=R]，得：

[f=0.33（RCT）] （9）

ICL8038最佳工作状态为充电电流[I1=1 mA]。若频率f 取50 Hz，则[T1+T1=20 ms]，电源电压为24 VDC，则由式（3）可得[CT=1.25 μF]，可取[CT=1 μF]，则由式（9）可得[RA=RB=6.67 kΩ]。

为减小波形失真，通过调节ICL8038的1端和12端的电位器，可使波形失真率少于0.5%。

1.3 RC移相电路分析

对于得到的正弦波要进行移相120°操作，分别进行前移和后移，得到另外两相正弦信号，使得三相正弦信号互差120°。由于电容器件两端的电压滞后电流90°相位角，电阻器件两端的电压与电流同相位，因此RC元件组合具有移相的作用，图4为RC超前移相电路原理图，图中的各个电量的关系如图5所示[4?5]。

将50 Hz正弦波信号超前移相60°，则电容C与电阻R之间有如下关系：

[tg ψ=UCUr=1ωCR=1314RC=3] （10）

如果[C=0.1 μF]，则[R=13143C=18.4 kΩ]。

将图4中电容与电阻元件交换位置，可得RC滞后移相电路的原理图，分析过程同上面的超前移相电路。

将50 Hz正弦波信号滞后移相60°，则电容C与电阻R之间有如下关系：

[tg ψ=UrUC=R1ωC=314RC=3] （11）

如果[C=0.1 μF]，则[R=3314C=55.1 kΩ]。

由上面推导可得RC超前滞后网络参数如图6所示，因为单个RC网络移相电路的移相角小于90°，因此每个移相网络均采用两级移相，每级移相60°，即可实现120°的相位移动[6?7]。

1.4 功率放大电路

根据移相电路分析，正弦信号经过RC移相电路后，虽然相位可以变为所需要的相位差，但是信号的幅度会有不同程度的衰减[8]，即电压幅值会不相等，因此需要使用运放对信号进行放大，调整三相正弦波信号的幅度，使其相等，可使用零飘系数小的运放OP07，调压电路如图7所示。

功率放大电路使用TDA2030集成功放，实际电路如图8所示，放大器1号管脚为同相输入端，经过一个1 μF的耦合电容将正弦信号耦合进入放大器，放大器2号管脚为反相输入端，与4号输出端接成负反馈放大网络，对信号进行放大后，从输出端输出，其中输出端的两个二极管为续流管，为输出换向时提供过压保护[9?10]。将功率放大后的三相对称正弦信号通过耦合变压器进行升压，得到所需要的三相对称电源，如图9所示。

2 电路仿真及结果分析

使用Matlab电路仿真软件，对上面设计的电路进行仿真，仿真图如图10所示。

将电路参数设置为第1.3节中计算的结果，可以得到如图11所示的仿真波形。

从电路仿真的情况看出，实验原理合理，参数选取正确，波形失真率低，能够得到预期的实验结果，可以进行电路的实际制作。

3 结 语

本文提出了一种由直流电源（或单相交流电源）经过电路变换后得到工频三相电源的设计思路和实现方案，可为山区或野外等地方施工提供难以取得的三相电源，具有一定的推广实用价值。

参考文献

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