數字可調式高壓直流穩壓電源的設計

引言

　　高壓電源是核輻射探測儀器中不可缺少的一部分,供給核輻射探測器件(如:正比計數管、GM計數管、光電倍增管以及半導體探測器等)高壓,配合其 它儀器做能譜分析或放射性強度測量之用。此外,高壓直流電源也廣泛應用于各行各業(yè),農業(yè)領(lǐng)域也有應用,例如農業(yè)環(huán)境靜電除塵,靜電噴霧殺蟲(chóng),農業(yè)物料靜電 噴涂包裹,農產(chǎn)品加工中的靜電植絨、農業(yè)生物靜電效應研究、靜電殺菌、農業(yè)種子靜電處理等等。

　　目前產(chǎn)生高壓電源的方法大致分為兩種:一種是模擬方法,另一種是數字方法。前者的穩壓電路、調節電路和顯示電路均采用模擬電路控制,而后者則是 通過(guò)數字電路進(jìn)行自動(dòng)控制。傳統的高壓電源一般通過(guò)調整十圈電位器和波段開(kāi)關(guān)預置所需電壓,電壓值由電壓表頭指示,這種手工控制和指示方式有很多缺點(diǎn):調 整麻煩,不能很快獲得所需電壓,指針讀數不精確,也不能在大負載和其他異常情況下自動(dòng)監測和自身保護。另外,實(shí)驗室中的儀器或設備,有些同學(xué)難免會(huì )亂動(dòng)旋 鈕和開(kāi)關(guān),造成下次開(kāi)機時(shí)因電壓過(guò)高而損壞儀器。本文所介紹的數字系統采用鍵盤(pán)輸入、程序控制、數碼顯示,可以很好的解決以上問(wèn)題。

　　1　硬件電路的設計

　　根據設計要求,采用數模結合, 智能控制方案完成數字式高壓直流穩壓電源的設計。系統可分為數字和模擬兩部分,數字部分發(fā)揮單片機智能控制功能,并結合顯示模塊、按鍵控制模塊、APD轉 換模塊、DPA轉換模塊,使其完成對系統的智能控制,達到能自動(dòng)控制電源輸出電壓的大小,實(shí)時(shí)測量電壓并顯示。模擬部分包括波形產(chǎn)生電路,倍壓整流電路, 取樣電路,控制電路及外圍元件組成。系統控制采用單片機完成,單片機結合軟件編程完成LED顯示、DPA轉換、APD轉換、鍵盤(pán)控制、實(shí)時(shí)電壓測量等。單 片機采用Atmal公司的AT89C52芯片,軟件編程應用匯編語(yǔ)言。

　　方案的原理與系統框圖如圖1所示。電路由兩個(gè)PNP型三極管構成推挽型開(kāi)關(guān)電路,波形發(fā)生電路產(chǎn)生兩個(gè)幅度相等、相位相反的方波,分別加在兩個(gè) 開(kāi)關(guān)管的基極,使得兩個(gè)三極管輪流導通。當開(kāi)關(guān)管導通的瞬間在Q、C、T組成的回路中產(chǎn)生一個(gè)很大的電流,根據楞次定律,由于電感兩端電流不能突變,使變 壓器次極產(chǎn)生感應電壓,這樣初級的能量通過(guò)變壓器傳送到了次極,由于變壓器是升壓型,這樣次極電壓高于初級,經(jīng)倍壓整流達到設計所要求的電壓。取樣電路和 鍵盤(pán)輸入數據通過(guò)單片機處理后,經(jīng)DPA轉換調節電壓控制電路,使變壓器初級電壓大小發(fā)生變化,從而使得輸出電壓也相應的發(fā)生變化,達到所需要的電壓值。

　　1.1　振蕩電路

　　振蕩電路的原理圖如圖2所示,電路采用555定時(shí)器接成的多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生所需一定大小的方波信號。從圖中可以看到:R2、R3、C2是振蕩電路的定時(shí)元件,調節它們可以得到不同的振蕩頻率;C1的作用是防止干擾電壓對電路的影響。

　　1.2　隔離與驅動(dòng)電路的設計

　　由于高壓電源電路開(kāi)關(guān)管與升壓變壓器工作于振蕩狀態(tài),因此電路中會(huì )產(chǎn)生大量的高頻高次諧波,為了防止這些有害的干擾影響振蕩電路和單片機的工作,必須采用嚴格的隔離和濾波。

　　隔離的方式有許多種,其中效果較為明顯的主要有兩種,一種是變壓器隔離,一種是光電隔離。結合本系統,前者的優(yōu)點(diǎn)是可以作為開(kāi)關(guān)管的前級推動(dòng)變 壓器,使開(kāi)關(guān)管獲得足夠的推動(dòng)功率,從而可以減小開(kāi)關(guān)管的損耗,但是,由于其體積較大,市場(chǎng)上很難買(mǎi)到符合要求的變壓器,相比之下,后者體積小,價(jià)格便 宜,因而得到了廣泛的應用。本系統采用光電隔離技術(shù),試驗證明,光耦隔離可以有效的防止干擾脈沖影響振蕩電路的工作。

　　電路采用電壓比較器作為驅動(dòng)電路,它能產(chǎn)生一組幅度相等、相位相反的脈沖信號,分別加到兩個(gè)開(kāi)關(guān)管基極,很好的滿(mǎn)足電路的要求。這種方式具有電 路簡(jiǎn)單、驅動(dòng)功率大、輸出波形好的特點(diǎn),從而避免了采用體積較大而笨重且繞制繁瑣的變壓器驅動(dòng)。隔離與驅動(dòng)電路原理圖如圖3所示。

　　在圖2中,在振蕩器與開(kāi)關(guān)管之間接入一光耦元件TLP601,它能有效的隔離高頻干擾脈沖,保證振蕩電路能正常工作。光耦隨著(zhù)三極管的導通而發(fā) 光,從而使旁邊的光敏三級管導通。電阻R33與R77分壓,使得A點(diǎn)電位為2V左右,當Q1導通時(shí),U3的③腳與U4的②腳電位幾乎與電源電壓VCC相 等,因此,U3⑦腳輸出為零電平,U4⑦腳輸出為高電平,并且現兩者的輸出幅度相等。R66和R88是上拉電阻,它能有效的改善電壓比較器的輸出波形。

 1.3　開(kāi)關(guān)升壓電路的設計

　　主要考慮的有兩點(diǎn),一是開(kāi)關(guān)頻率,二是開(kāi)關(guān)管參數的選擇。開(kāi)關(guān)管選擇的恰當與否直接影響到整個(gè)電路的工作。

　　開(kāi)關(guān)管的選擇與最大容許集電極電流Icm、集電極最大耗散功率Pcm、三極管的最大反向耐壓有關(guān)。

　　變換器振蕩頻率f,一般可在幾千赫茲幾十千赫茲范圍內選擇。結合本電路,作為室內使用儀器的供電電源,綜合考慮頻率高低的優(yōu)缺點(diǎn),考慮到變壓器的繞制上的困難(初次制作,經(jīng)驗不足),決定選用十千赫茲左右。

　　1.4　倍壓整流電路的設計

　　倍壓整流電路適用于輸出直流高電壓、小電流的小功率整流。倍壓整流有半波倍壓整流和全波倍壓整流。根椐本電路的設計要求,采用了圖4所示的電路。

　　它是由高壓整流堆D1、D2、D3、D4及倍壓電容C5、C6、C7、C8構成的四倍壓整流電路。

　　1.5　控制電路的設計

　　圖5為89C52單片機系統框圖,單片機通過(guò)APD采樣直流高壓輸出電壓值,CPU對此值與預值電壓比較,調整相應DPA轉換,使實(shí)際輸出電壓與預值電壓相同。

　　2　軟件設計

　　程序設計主要包括鍵盤(pán)處理程序模塊、APD轉換程序設計模塊、DPA轉換程序設計模塊、誤差處理程序設計模塊、報警狀態(tài)輸出模塊等等。

　　3　總結

　　不同類(lèi)型的探測器,所需要的供電高壓的大小不同。例如閃爍探測器光電倍增管的供電高壓一般在幾百伏到1500伏的范圍。而正比計數器GM計數管 所需要的高壓則多在1500伏以上,因此為了使儀器具有通用性,高壓電源輸出電壓應能在相當大的范圍內連續調節,經(jīng)測試本系統高壓連續調節的范圍為 300～ 3000伏,達到了設計要求。