一種大功率線性輸出高壓穩(wěn)壓裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種大功率線性輸出高壓穩(wěn)壓裝置。包括依次連接的弦波發(fā)生電路、正弦波幅度放大電路、初級(jí)功率放大電路、推挽功率放大電路、升壓變壓器、高壓整流濾波電路、高壓直流輸出接口、及分別與MCU和過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路連接的電流采集電路和電壓采集電路；還包括與MCU相互連接的電壓電流顯示。本實(shí)用新型提供了一種高穩(wěn)定性、高精確率、大功率輸出的大功率線性輸出高壓穩(wěn)壓裝置。
【專利說(shuō)明】一種大功率線性輸出高壓穩(wěn)壓裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬電學(xué)領(lǐng)域，涉及一種大功率高壓穩(wěn)壓電源，尤其涉及一種大功率線性輸出高壓裝置。
【背景技術(shù)】[0002]在用光電倍增管進(jìn)行光電探測(cè)學(xué)科和核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域通常使用高壓穩(wěn)壓電源作為能量激勵(lì)。光電倍增管需要高穩(wěn)定度的高壓穩(wěn)壓電源作為激勵(lì)，才能有效實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，當(dāng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，光電倍增管也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，測(cè)試結(jié)果不一致。在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通常需要大功率高壓電源實(shí)現(xiàn)離子的分離。但由于國(guó)內(nèi)這兩個(gè)領(lǐng)域的研究起步晚，與之配套的高性能高壓穩(wěn)壓電源只能依靠進(jìn)口，其關(guān)鍵技術(shù)也處于封鎖狀態(tài)。
[0003]目前國(guó)內(nèi)高壓電源主要有兩種:一種是直接對(duì)220V市電進(jìn)行倍壓整流將市電轉(zhuǎn)換為高壓直流的設(shè)備；另一種是用信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生特定頻率的低壓脈沖信號(hào)，通過(guò)推挽功率放大電路后經(jīng)升壓變壓器變成高壓交流信號(hào)，再通過(guò)倍壓整流的方式將高壓交流信號(hào)變成直流信號(hào)，當(dāng)需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，通常采用PWM方式對(duì)脈沖波的脈寬進(jìn)行調(diào)整而改變輸出直流信號(hào)峰值。后者是現(xiàn)階段主流的高壓穩(wěn)壓電源。
[0004]直接對(duì)220V市電進(jìn)行倍壓整流將市電轉(zhuǎn)換為高壓直流，這種設(shè)備不能避免市電波動(dòng)的影響，通常市電波動(dòng)在±10%以內(nèi)，因此其缺陷是沒有穩(wěn)壓措施，電源輸出穩(wěn)定性差。另外，倍壓整流方式的輸出電流能力僅決定于倍壓環(huán)節(jié)使用電容的容值，通常能夠承受千伏高壓的電容容值不足?ο μ F，最終輸出的電流能力不足1mA，輸出功率很有限。
[0005]用低壓脈沖交流信號(hào)功率放大，經(jīng)升壓變壓再倍壓整流的方式得到高壓直流信號(hào)，這種方式雖然能夠?qū)斎胄盘?hào)可控，避免直接使用市電時(shí)的電源波動(dòng)，但這種電源是通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)采用PWM對(duì)脈沖波的脈寬進(jìn)行調(diào)整而改變輸出直流信號(hào)峰值和對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，是一種開關(guān)控制方式，電源輸出紋波很大，對(duì)輸出端的負(fù)載會(huì)有很大影響，尤其是用光電倍增管進(jìn)行精密探測(cè)和核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究時(shí)，這種紋波效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試正確性。再者，其輸出電流決定于功率放大環(huán)節(jié)電流放大能力、變壓器匝數(shù)比和倍壓整流環(huán)節(jié)使用電容的容值共同決定，輸出電流能力也很有限，目前這種方式實(shí)現(xiàn)的高壓穩(wěn)壓電源在2000V輸出時(shí)的最大電流能力為10mA。特別是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，時(shí)常需要高壓大功率的電源，這種高壓穩(wěn)壓電源的負(fù)載能力會(huì)顯得力不從心。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]為了解決【背景技術(shù)】中所存在的技術(shù)問(wèn)題，滿足光電倍增管光電探測(cè)和核醫(yī)學(xué)研究的需求，本實(shí)用新型提出了一種大功率線性輸出高壓裝置及方法。
[0007]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:
[0008]1.一種大功率線性輸出高壓穩(wěn)壓裝置，其特殊之處在于:包括依次連接的弦波發(fā)生電路、正弦波幅度放大電路、初級(jí)功率放大電路、推挽功率放大電路、升壓變壓器、高壓整流濾波電路、高壓直流輸出接口、及分別與MCU和過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路連接的電流采集電路和電壓采集電路；還包括與MCU相互連接的電壓電流顯示。
[0009]上述MCU還與壓控增益調(diào)節(jié)電路相互連接；所述壓控增益調(diào)節(jié)電路還分別與手動(dòng)設(shè)置電路和正弦波幅度放大電路相互連接。
[0010]上述推挽功率放大電路由一個(gè)NPN大功率三極管和一個(gè)PNP大功率三極管組成。
[0011]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0012]1.提高穩(wěn)定性。本實(shí)用新型利用本地產(chǎn)生的正弦波作為源信號(hào)，一方面沒有直接使用市電，避免了市電波動(dòng)引起的不穩(wěn)定性；另一方面，不存在脈沖信號(hào)開關(guān)過(guò)程引入的無(wú)法消除的紋波。
[0013]2.提高精度。本實(shí)用新型加入了壓控增益放大電路，改變壓控增益放大電路的控制電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電壓的幅值的線性調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度高。
[0014]3.大功率輸出。本實(shí)用新型采用了 2級(jí)功率放大，將正弦信號(hào)的峰-峰值放大至66V，驅(qū)動(dòng)電流放大至8A，保證了大功率輸出的前提。
[0015]4.本實(shí)用新型中升壓變壓器初級(jí)串接有過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)壓和過(guò)流情況時(shí)，自動(dòng)切斷變壓器出入，保護(hù)了負(fù)載。
[0016]5.本實(shí)用新型的升壓變壓器次級(jí)輸出交流高壓正弦波經(jīng)整流后采用電感與電容組成的η型濾波，濾波效果好，輸出功率取決于升壓變壓器的輸入功率，避免了采用倍壓整流方式引起的輸出電流限制。
[0017]6.本實(shí)用新型中在直流高壓輸出級(jí)加入電壓采集和電流采集電路，對(duì)輸出電壓和負(fù)載電流進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)傳送給MCU。
[0018]7.本實(shí)用新型中的MCU集成了 PID算法，將電壓采集和電流采集數(shù)據(jù)作為反饋，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)壓控增益調(diào)節(jié)電路的控制電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變正弦信號(hào)的幅值，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)精密控制。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]其中1-弦波發(fā)生電路、2-正弦波幅度放大電路、3-初級(jí)功率放大電路、4-推挽功率放大電路、5-升壓變壓器、6-高壓整流濾波電路、7-高壓直流輸出接口、8-電流采集電路、9-電壓采集電路、IO-MCUU1-電壓電流顯示、12-壓控增益調(diào)節(jié)電路、13-手動(dòng)設(shè)置電路、14-過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路。
【具體實(shí)施方式】
[0021]參見圖1，一種大功率線性輸出高壓電源，具體實(shí)施如下:
[0022](I)正弦波產(chǎn)生電路產(chǎn)生頻率為200Hz、峰值為2V的正弦波；
[0023](2)正弦波放大電路通過(guò)運(yùn)算放大器對(duì)正弦波的幅值進(jìn)行放大，運(yùn)放采用±12V供電，壓控增益調(diào)節(jié)電路改變正弦波幅度放大的增益，幅度調(diào)節(jié)范圍O?22V ;
[0024](3)壓控增益調(diào)節(jié)電路由場(chǎng)效應(yīng)管作為核心，通過(guò)改變柵極與源極的電壓值，調(diào)節(jié)漏極與源極的導(dǎo)通電阻；將該場(chǎng)效應(yīng)管串入幅值放大電路運(yùn)放的反饋端，即實(shí)現(xiàn)了壓控增益的調(diào)節(jié)；
[0025](4)手動(dòng)設(shè)置改變壓控增益調(diào)節(jié)電路的控制電壓，使正弦波幅度放大電路的幅度放大增益線性改變；
[0026](5)正弦波經(jīng)幅度放大電路后，幅度實(shí)現(xiàn)O?22V的調(diào)節(jié)，但由于運(yùn)放沒有電流驅(qū)動(dòng)能力，此時(shí)正弦波只是一個(gè)單純的交流電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)經(jīng)初級(jí)功率放大電路放大實(shí)現(xiàn)電壓和電流的放大。初級(jí)功率放大電路采用大功率三極管作為核心器件，實(shí)現(xiàn)正弦波峰-峰值O?66V、驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到2A的強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力交流信號(hào)；
[0027](6)推挽功率放大電路由一個(gè)NPN大功率三極管和一個(gè)PNP大功率三極管組成，這一對(duì)管的性能參數(shù)基本一致，實(shí)現(xiàn)對(duì)初級(jí)功率放大后的正弦波無(wú)交越失真的功率放大，電壓放大倍數(shù)為1，電流驅(qū)動(dòng)能力達(dá)到8A ；
[0028](7)經(jīng)推挽放大后的正弦波通過(guò)升壓變壓器(匝數(shù)比為1:100)后，將幅度為A的低壓交流信號(hào)升壓至100XA、電流變換為1/100初級(jí)電流的高壓交流信號(hào)，升壓變壓器在完成升壓的同時(shí)，將低壓與高壓部分實(shí)現(xiàn)電氣隔離，使其之間不相互影響，同時(shí)去除低壓電路部分的直流成分，使其副邊輸出級(jí)只有高壓交流信號(hào)；
[0029](8)高壓正弦波經(jīng)整流和型濾波后成為直流電壓；
[0030](9)電壓采樣電路與電源輸出端并聯(lián)，通過(guò)多個(gè)阻值相同的電阻分壓取樣對(duì)輸出端的電壓進(jìn)行采集，并將取樣電壓值經(jīng)A/D后傳送給MCU ;若輸出端電壓高于設(shè)定值，過(guò)壓保護(hù)電路切斷升壓變壓器初級(jí)電壓輸入，達(dá)到保護(hù)負(fù)載端的目的；
[0031](10)電流采樣電路與電源輸出端串聯(lián)，通過(guò)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)電流電壓值轉(zhuǎn)換，該電壓值經(jīng)A/D后傳送給MCU ;若輸出端電流高于設(shè)定值，過(guò)流保護(hù)電路切斷升壓變壓器初級(jí)電壓輸入，達(dá)到保護(hù)負(fù)載端的目的；
[0032](Il)MCU接收來(lái)自手動(dòng)設(shè)置數(shù)據(jù)、電壓采集數(shù)據(jù)和電流采集數(shù)據(jù)；當(dāng)手動(dòng)設(shè)置有效時(shí)，MCU接收來(lái)自手動(dòng)設(shè)置電路數(shù)據(jù)，并將設(shè)置值送電壓電流顯示電路進(jìn)行顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)D/A后將電壓值加載在壓控增益調(diào)節(jié)的電壓控制端控制輸出正弦波的幅值；待手動(dòng)設(shè)置完畢按下輸出按鈕后，MCU接收電壓和電流采集數(shù)據(jù)，根據(jù)PID算法調(diào)節(jié)壓控增益端的電壓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的；
[0033](12)該實(shí)用新型的設(shè)計(jì)極限為輸出電壓O?2970V、最大負(fù)載電流為80mA，為了留有余量，該實(shí)用新型實(shí)際使用的過(guò)壓保護(hù)設(shè)置為2500V、過(guò)流保護(hù)設(shè)置為50mA ;經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，在2500V高壓輸出、50mA電流負(fù)載能力下，紋波< 1.2X 10_5±30mV ;源效應(yīng)為lXl(T5±26mV，負(fù)載效應(yīng)為 lXl(T5±50mV。
【權(quán)利要求】
1.一種大功率線性輸出高壓穩(wěn)壓裝置，其特征在于:包括依次連接的弦波發(fā)生電路、正弦波幅度放大電路、初級(jí)功率放大電路、推挽功率放大電路、升壓變壓器、高壓整流濾波電路、高壓直流輸出接口、及分別與MCU和過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路連接的電流采集電路和電壓采集電路；還包括與MCU相互連接的電壓電流顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大功率線性輸出高壓穩(wěn)壓裝置，其特征在于:所述MCU還與壓控增益調(diào)節(jié)電路相互連接；所述壓控增益調(diào)節(jié)電路還分別與手動(dòng)設(shè)置電路和正弦波幅度放大電路相互連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種大功率線性輸出高壓穩(wěn)壓裝置，其特征在于:所述推挽功率放大電路由一個(gè)NPN大功率三極管和一個(gè)PNP大功率三極管組成。
【文檔編號(hào)】H02M7/217GK203504440SQ201320621502
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】龍江波, 趙建科, 段亞軒, 李坤, 昌明, 曹坤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所