電力線(xiàn)載波系統(tǒng)的寬帶耦合電路探究

摘要：在電力線(xiàn)載波技術(shù)中，接口電路是一個(gè)很重要的部分，它實(shí)現(xiàn)了PLC系統(tǒng)與電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)連接。旨在闡述實(shí)用型的接口電路，包括電容耦合、電感耦合和一些混合型設(shè)計(jì)。將在不同阻抗和信道噪聲下，測(cè)量接口電路傳輸信號(hào)的能力，并且通過(guò)補(bǔ)償來(lái)測(cè)得電力線(xiàn)中實(shí)際的參數(shù)。通過(guò)比較不同的耦合電路來(lái)體現(xiàn)它們?cè)趯?shí)際電力線(xiàn)傳輸中的作用。

關(guān)鍵詞：電力線(xiàn)載波；PLC；寬帶耦合電路

中圖分類(lèi)號(hào)：TM13#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文章編號(hào)：1007-0079（2014）17-0127-02

通過(guò)電力線(xiàn)載波技術(shù)（Power-line Communication，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，需要將傳輸信號(hào)疊加到電源信號(hào)上。這就意味著耦合電路必須進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)，從而確保兩種信號(hào)的兼容性。電源信號(hào)和載波信號(hào)具有截然不同的特點(diǎn)。電源信號(hào)頻率低、電壓高、能量大；而載波信號(hào)頻率高、電壓低、能量小。PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，對(duì)耦合電路的了解起著重要作用。PLC信道中兩種不同的電信號(hào)可以通過(guò)多種不同的電流路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。一是差模耦合。在這種耦合模式中，火線(xiàn)作為一端，而零線(xiàn)作為另一端。二是共模耦合。在這種耦合模式中，火線(xiàn)和零線(xiàn)作為同一端，而把地線(xiàn)作為另一端，這種耦合在電信號(hào)大于30dB時(shí)，傳輸效果要比差模耦合效果好。在有些地方不被使用，主要是這一技術(shù)有潛在的安全隱患。

耦合電路可以實(shí)現(xiàn)PLC設(shè)備與電網(wǎng)之間的電氣隔離。耦合電路有兩種耦合方式，即電容耦合和電感耦合。電容耦合會(huì)有高達(dá)幾分貝的信號(hào)損失，而電感耦合避免了電網(wǎng)的物理連接，使得它比電容耦合更加安全。另外，電容耦合還可以實(shí)現(xiàn)高通濾波。對(duì)于實(shí)際的耦合電路往往會(huì)提供電容和電感兩種耦合技術(shù)。

一、耦合電路分析

1.耦合電路的組成

各種編碼方式的數(shù)據(jù)通信只能從數(shù)據(jù)編碼的物理概念上解決通訊的可靠性。通訊方式的物理層面設(shè)計(jì)決定了通訊過(guò)程中的質(zhì)量。電力線(xiàn)載波通訊技術(shù)的關(guān)鍵在于耦合電路。為了設(shè)計(jì)一個(gè)合理的耦合電路，必須選擇合適的器件，并且明白其各自的作用。將對(duì)各部分的功能作簡(jiǎn)單介紹。

（1）耦合電容：在電力線(xiàn)載波通訊技術(shù)中經(jīng)常被使用。它可以將傳輸信號(hào)耦合到電力線(xiàn)上，也可以作為更復(fù)雜的高通濾波器的一部分。這些耦合電容的基本特征已經(jīng)在ANSI C93.1-1972中進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。也就是說(shuō)，應(yīng)用在電力線(xiàn)載波技術(shù)中的電容應(yīng)該是高頻電容，它的自寫(xiě)震蕩頻率必須比調(diào)制頻率高。反過(guò)來(lái)，耦合電容必須過(guò)濾掉電源電壓及浪涌電壓。這也正是需要高壓電容的原因。耦合電容的濾波特性有賴(lài)于載波特性。

（2）耦合變壓器：其主要作用是提供電氣隔離和阻抗適配。電源波形具有非常低的頻率，與傳輸信號(hào)相比要低 倍。因此，電源波形通常是在進(jìn)入耦合變壓器之前先通過(guò)低通濾波器。

（3）隔離電感：需要注意電源頻率和電流，防止出現(xiàn)飽和與電壓下降，隔離電感必須阻止調(diào)制信號(hào)，所以自諧振頻率必須高于電源的工頻。

（4）電阻：一般情況下，應(yīng)該努力避免使用電阻，電阻的存在意味著造成功率的損失，或傳輸信號(hào)和電源信號(hào)的損失。

通過(guò)對(duì)不同低壓電力線(xiàn)支路發(fā)射與接收信號(hào)的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)我國(guó)低壓電力線(xiàn)用戶(hù)的負(fù)載情況十分復(fù)雜，但是也有一些共同的特征：電力線(xiàn)信號(hào)傳輸頻率衰減在20dB以上；頻率在100kHz～400kHz的衰減相對(duì)較??；衰減會(huì)隨頻率的升高而增加。因此，根據(jù)不同的電力線(xiàn)系統(tǒng)特征在100kHz～400kHz頻率之間選擇一個(gè)衰減較小的中心頻率。

2.耦合電路實(shí)例

一個(gè)耦合電路需要有兩個(gè)耦合電容和一個(gè)耦合變壓器。耦合電路的電路圖如圖1所示。該電路由高壓濾波電容、寬帶變壓器和過(guò)壓保護(hù)電路組成。高壓電容既可以耦合高頻載波信號(hào)，又可以濾除50Hz的工頻信號(hào)。為了防止電網(wǎng)中的強(qiáng)干擾和過(guò)壓，在電路中接了過(guò)壓保護(hù)電路，由5個(gè)二極管組成。耦合變壓器不僅具有電氣隔離作用，也實(shí)現(xiàn)了信號(hào)線(xiàn)性平衡與不平衡的變換和阻抗的變換。同時(shí)耦合電容與耦合電壓的一次繞組組成了高通濾波電路，減少了低頻干擾信號(hào)。為了進(jìn)一步優(yōu)化變壓器的工作性能，在制作變壓器時(shí)采取以下措施：

（1）采用高頻鐵氧體做變壓器的鐵芯，減少鐵芯的漏磁。

（2）盡量減少變壓器一、二次繞組在鐵芯上的匝數(shù)，增加匝數(shù)間距，以減少線(xiàn)圈的分布電容和漏磁。

（3）盡量采用高導(dǎo)磁率的鐵芯，加大環(huán)形鐵芯的截面積，增加一次繞組的電感，從而擴(kuò)展低頻響應(yīng)。

耦合電路不應(yīng)該在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中影響電力線(xiàn)載波通道中的實(shí)際參數(shù)。通過(guò)對(duì)20m長(zhǎng)電力線(xiàn)傳輸信號(hào)進(jìn)行反復(fù)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償之后的各頻率信號(hào)衰減明顯減少，如圖2所示。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，不管補(bǔ)償方式如何，傳輸信號(hào)頻率高于60MHz時(shí)，數(shù)字信號(hào)都會(huì)出現(xiàn)明顯的衰減現(xiàn)象。這就需要在耦合之前對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行合適的調(diào)制，來(lái)達(dá)到良好的傳輸效果。

二、電感耦合

1.電感耦合組成和分析

電感耦合是基于變壓器電感耦合的原理，將高頻的載波信號(hào)加載在初級(jí)繞組，電力線(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)酱渭?jí)繞組上。通過(guò)使用適當(dāng)?shù)母哳l電感變壓器，PLC將信號(hào)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)上。當(dāng)信號(hào)接入點(diǎn)阻抗低時(shí)，電感耦合的方法接入信號(hào)非常有效。典型的信號(hào)接入方法是：幾個(gè)電源線(xiàn)同時(shí)接入總電網(wǎng)。電感耦合首選的方法是在低阻抗情況下有更好的性能、更低的功率和使用簡(jiǎn)便性。電感耦合中變壓器的材質(zhì)選擇鐵氧體，通過(guò)它將電信號(hào)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)中。從實(shí)用性的角度來(lái)看，由于電網(wǎng)和PLC設(shè)備之間沒(méi)有電流傳輸。這樣就使得PLC設(shè)備變得相對(duì)安全。這是由于：耦合電容的使用降低了耦合點(diǎn)的阻抗，從而提高了耦合效率，同時(shí)降低了傳輸信號(hào)的損失。耦合電容作為傳輸信號(hào)的一個(gè)途徑，傳輸信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)耦合電容。另外，不同的耦合電感的連接方式可以改變信號(hào)的傳輸效率。不同類(lèi)型耦合電感的連接方式，如圖3所示。

對(duì)長(zhǎng)尾20m，兩個(gè)端口負(fù)載電阻都是50Ω的載波信道進(jìn)行測(cè)試，可以得出以下結(jié)論：多電感的連接方式可以很大程度上減少傳輸過(guò)程中信號(hào)的損失，提高傳輸?shù)男?，如圖4所示。

2.電感耦合優(yōu)劣

類(lèi)比變壓器的傳輸特性可以發(fā)現(xiàn)，以下因素可以提高電感耦合的傳輸效率。

（1）鐵芯材料。鐵氧體鐵芯具有良好的磁導(dǎo)率，鐵損小，磁穩(wěn)定性強(qiáng)，即磁導(dǎo)率隨時(shí)間和溫度的變換不大。根據(jù)磁導(dǎo)率和最佳頻率范圍的關(guān)系，選擇磁導(dǎo)率在3000～7000H/m范圍為宜。

（2）初、次級(jí)繞組線(xiàn)圈?？紤]到高頻信號(hào)的傳輸特點(diǎn)，應(yīng)選擇多股導(dǎo)線(xiàn)作為初級(jí)繞組的線(xiàn)圈，從而減少線(xiàn)圈中由于電流的趨膚效應(yīng)而造成的電阻。另外，選擇線(xiàn)徑較大的銅線(xiàn)或者鐵線(xiàn)作為線(xiàn)圈的導(dǎo)線(xiàn)。根據(jù)阻抗匹配的關(guān)系，選擇初、次級(jí)繞組匝數(shù)之比應(yīng)為1∶1或1∶2為好。

（3）耦合裝置的結(jié)構(gòu)。耦合裝置中鐵氧體的體積應(yīng)盡可能大，而體積一定時(shí)，選擇形狀短而粗的來(lái)減少阻抗，強(qiáng)化耦合效果。鐵氧體的內(nèi)徑越小，耦合的效果會(huì)越好。另外，帶有氣隙的環(huán)形鐵氧體磁芯可以有效減少磁飽和。

總之，為了形成一個(gè)完整的耦合磁環(huán)，在空間允許的情況下，應(yīng)選擇盡量長(zhǎng)與厚而且漏磁和磁阻小的鐵氧體元件。

三、結(jié)束語(yǔ)

低壓電力線(xiàn)載波的通信信道環(huán)境非常惡劣，所以在電力線(xiàn)載波設(shè)備中，良好的耦合技術(shù)和合理的耦合電路的選擇非常重要。同時(shí)，選擇合適的電路組件將改善PLC電路的傳輸性能。在本文中，對(duì)PLC寬帶電容耦合和電感耦合電路信號(hào)的阻抗與噪聲進(jìn)行了相應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)電容耦合衰減相對(duì)較小，適宜直接插入電源在家庭內(nèi)使用；電感耦合是間接耦合，相對(duì)安全，適用于電力線(xiàn)抄表和配電間。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的耦合電路可以通過(guò)改變其材料、形狀、工藝等改善電力線(xiàn)載波中的通信效率。

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（責(zé)任編輯：孫晴）