数字可调式高压直流稳压电源的设计.docx

引言 高压电源是核辐射探测仪器中不可缺少的一部分,供给核辐射探测器件 (如:正比计数管、GM 计数管、光电倍增管以及半导体探测器等)高压 ,配合其它仪器做能谱分析或放射性强度测量之用此外,高压直流电源也广泛应用于各行各业 ,农业领域也有应用,例如农业环境静电除尘,静电喷雾杀虫,农业物料静电喷涂包裹,农产品加工中的静电植绒、农业生物静电效应研究、静电杀菌、农业种子静电处理等等目前产生高压电源的方法大致分为两种:一种是模拟方法,另一种是数字方法前者的稳压电路、调节电路和显示电路均采用模拟电路控制, 而后者则是通过数字电路进行自动控制传统的高压电源一般通过调整十圈电位器和波段开关预置所需电压,电压值由电压表头指示,这种手工控制和指示方式有很多缺点:调整麻烦 ,不能很快获得所需电压,指针读数不精确, 也不能在大负载和其他异常情况下自动监测和自身保护另外 ,实验室中的仪器或设备, 有些同学难免会乱动旋钮和开关,造成下次开机时因电压过高而损坏仪器本文所介绍的数字系统采用键盘输入、程序控制、数码显示,可以很好的解决以上问题1　硬件电路的设计根据设计要求,采用数模结合, 智能控制方案完成数字式高压直流稳压电源的设计。

系统可分为数字和模拟两部分,数字部分发挥单片机智能控制功能 ,并结合显示模块、按键控制模块、APD 转换模块、DPA 转换模块,使其完成对系统的智能控制,达到能自动控制电源输出电压的大小,实时测量电压并显示模拟部分包括波形产生电路 ,倍压整流电路,取样电路, 控制电路及外围元件组成系统控制采用单片机完成 ,单片机结合软件编程完成 LED显示、DPA 转换、APD 转换、键盘控制、实时电压测量等单片机采用 Atmal 公司的AT89C52 芯片 ,软件编程应用汇编语言方案的原理与系统框图如图 1 所示电路由两个 PNP 型三极管构成推挽型开关电路, 波形发生电路产生两个幅度相等、相位相反的方波,分别加在两个开关管的基极,使得两个三极管轮流导通当开关管导通的瞬间在 Q、C、T 组成的回路中产生一个很大的电流,根据楞次定律,由于电感两端电流不能突变,使变压器次极产生感应电压,这样初级的能量通过变压器传送到了次极,由于变压器是升压型,这样次极电压高于初级,经倍压整流达到设计所要求的电压取样电路和键盘输入数据通过单片机处理后, 经 DPA 转换调节电压控制电路,使变压器初级电压大小发生变化,从而使得输出电压也相应的发生变化 ,达到所需要的电压值。

　　1.1　振荡电路振荡电路的原理图如图 2 所示,电路采用 555 定时器接成的多谐振荡器来产生所需一定大小的方波信号从图中可以看到:R2、R3 、C2 是振荡电路的定时元件,调节它们可以得到不同的振荡频率;C1 的作用是防止干扰电压对电路的影响　　1.2　隔离与驱动电路的设计由于高压电源电路开关管与升压变压器工作于振荡状态,因此电路中会产生大量的高频高次谐波,为了防止这些有害的干扰影响振荡电路和单片机的工作 ,必须采用严格的隔离和滤波隔离的方式有许多种,其中效果较为明显的主要有两种 ,一种是变压器隔离,一种是光电隔离结合本系统,前者的优点是可以作为开关管的前级推动变压器 ,使开关管获得足够的推动功率,从而可以减小开关管的损耗,但是,由于其体积较大, 市场上很难买到符合要求的变压器,相比之下,后者体积小,价格便宜,因而得到了广泛的应用本系统采用光电隔离技术,试验证明,光耦隔离可以有效的防止干扰脉冲影响振荡电路的工作电路采用电压比较器作为驱动电路,它能产生一组幅度相等、相位相反的脉冲信号,分别加到两个开关管基极,很好的满足电路的要求这种方式具有电路简单、驱动功率大、输出波形好的特点,从而避免了采用体积较大而笨重且绕制繁琐的变压器驱动。

隔离与驱动电路原理图如图 3 所示　　在图 2 中, 在振荡器与开关管之间接入一光耦元件 TLP601,它能有效的隔离高频干扰脉冲, 保证振荡电路能正常工作光耦随着三极管的导通而发光 ,从而使旁边的光敏三级管导通电阻 R33 与 R77 分压 ,使得 A 点电位为 2V 左右, 当 Q1 导通时,U3 的③脚与 U4 的②脚电位几乎与电源电压 VCC 相等,因此,U3⑦脚输出为零电平,U4 ⑦脚输出为高电平,并且现两者的输出幅度相等R66 和 R88 是上拉电阻,它能有效的改善电压比较器的输出波形1.3　开关升压电路的设计主要考虑的有两点,一是开关频率,二是开关管参数的选择开关管选择的恰当与否直接影响到整个电路的工作开关管的选择与最大容许集电极电流 Icm、集电极最大耗散功率 Pcm、三极管的最大反向耐压有关变换器振荡频率 f,一般可在几千赫兹几十千赫兹范围内选择结合本电路, 作为室内使用仪器的供电电源,综合考虑频率高低的优缺点,考虑到变压器的绕制上的困难(初次制作,经验不足),决定选用十千赫兹左右1.4　倍压整流电路的设计　　倍压整流电路适用于输出直流高电压、小电流的小功率整流倍压整流有半波倍压整流和全波倍压整流。

根椐本电路的设计要求,采用了图 4 所示的电路它是由高压整流堆 D1、D2、D3 、D4 及倍压电容 C5、C6、C7、C8 构成的四倍压整流电路1.5　控制电路的设计图 5 为 89C52 单片机系统框图,单片机通过 APD 采样直流高压输出电压值,CPU对此值与预值电压比较,调整相应 DPA 转换,使实际输出电压与预值电压相同2　软件设计程序设计主要包括键盘处理程序模块、APD 转换程序设计模块、DPA 转换程序设计模块、误差处理程序设计模块、报警状态输出模块等等　　3　总结不同类型的探测器,所需要的供电高压的大小不同例如闪烁探测器光电倍增管的供电高压一般在几百伏到 1500 伏的范围而正比计数器 GM 计数管所需要的高压则多在 1500 伏以上,因此为了使仪器具有通用性,高压电源输出电压应能在相当大的范围内连续调节, 经测试本系统高压连续调节的范围为 300～ 3000 伏 ,达到了设计要求。