數(shù)字可調(diào)式高壓直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

    高壓電源是核輻射探測(cè)儀器中不可缺少的一部分,供給核輻射探測(cè)器件(如:正比計(jì)數(shù)管、GM計(jì)數(shù)管、光電倍增管以及半導(dǎo)體探測(cè)器等)高壓,配合其它儀器做能譜分析或放射性強(qiáng)度測(cè)量之用。此外,高壓直流電源也廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。

    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(shù)字方法。前者的穩(wěn)壓電路、調(diào)節(jié)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(shù)字電路進(jìn)行自動(dòng)控制。傳統(tǒng)的高壓電源一般通過(guò)調(diào)整十圈電位器和波段開關(guān)預(yù)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(diào)整麻煩,不能很快獲得所需電壓,指針讀數(shù)不精確,也不能在大負(fù)載和其他異常情況下自動(dòng)監(jiān)測(cè)和自身保護(hù)。另外,實(shí)驗(yàn)室中的儀器或設(shè)備,有些同學(xué)難免會(huì)亂動(dòng)旋鈕和開關(guān),造成下次開機(jī)時(shí)因電壓過(guò)高而損壞儀器。本文所介紹的數(shù)字系統(tǒng)采用鍵盤輸入、程序控制、數(shù)碼顯示,可以很好的解決以上問(wèn)題。

    1　硬件電路的設(shè)計(jì)

    根據(jù)設(shè)計(jì)要求,采用數(shù)模結(jié)合, 智能控制方案完成數(shù)字式高壓直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)可分為數(shù)字和模擬兩部分,數(shù)字部分發(fā)揮單片機(jī)智能控制功能,并結(jié)合顯示模塊、按鍵控制模塊、APD轉(zhuǎn)換模塊、DPA轉(zhuǎn)換模塊,使其完成對(duì)系統(tǒng)的智能控制,達(dá)到能自動(dòng)控制電源輸出電壓的大小,實(shí)時(shí)測(cè)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(tǒng)控制采用單片機(jī)完成,單片機(jī)結(jié)合軟件編程完成LED顯示、DPA轉(zhuǎn)換、APD轉(zhuǎn)換、鍵盤控制、實(shí)時(shí)電壓測(cè)量等。單片機(jī)采用Atmal公司的AT89C52芯片,軟件編程應(yīng)用匯編語(yǔ)言。

    方案的原理與系統(tǒng)框圖如圖1所示。電路由兩個(gè)PNP型三極管構(gòu)成推挽型開關(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)開關(guān)管的基極,使得兩個(gè)三極管輪流導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)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(jù)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(yīng)電壓,這樣初級(jí)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(jí),經(jīng)倍壓整流達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的電壓。取樣電路和鍵盤輸入數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)處理后,經(jīng)DPA轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)電壓控制電路,使變壓器初級(jí)電壓大小發(fā)生變化,從而使得輸出電壓也相應(yīng)的發(fā)生變化,達(dá)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(hào)。從圖中可以看到:R2、R3、C2是振蕩電路的定時(shí)元件,調(diào)節(jié)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(duì)電路的影響。

    1.2　隔離與驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

    由于高壓電源電路開關(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(jī)的工作,必須采用嚴(yán)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(jié)合本系統(tǒng),前者的優(yōu)點(diǎn)是可以作為開關(guān)管的前級(jí)推動(dòng)變壓器,使開關(guān)管獲得足夠的推動(dòng)功率,從而可以減小開關(guān)管的損耗,但是,由于其體積較大,市場(chǎng)上很難買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(yīng)用。本系統(tǒng)采用光電隔離技術(shù),試驗(yàn)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(qū)動(dòng)電路,它能產(chǎn)生一組幅度相等、相位相反的脈沖信號(hào),分別加到兩個(gè)開關(guān)管基極,很好的滿足電路的要求。這種方式具有電路簡(jiǎn)單、驅(qū)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(qū)動(dòng)。隔離與驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。

    在圖2中,在振蕩器與開關(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。光耦隨著三極管的導(dǎo)通而發(fā)光,從而使旁邊的光敏三級(jí)管導(dǎo)通。電阻R33與R77分壓,使得A點(diǎn)電位為2V左右,當(dāng)Q1導(dǎo)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(xiàn)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　開關(guān)升壓電路的設(shè)計(jì)

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

    開關(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(nèi)選擇。結(jié)合本電路,作為室內(nèi)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(yàn)不足),決定選用十千赫茲左右。

     1.4　倍壓整流電路的設(shè)計(jì)

    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(shè)計(jì)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(gòu)成的四倍壓整流電路。

    1.5　控制電路的設(shè)計(jì)

    圖5為89C52單片機(jī)系統(tǒng)框圖,單片機(jī)通過(guò)APD采樣直流高壓輸出電壓值,CPU對(duì)此值與預(yù)值電壓比較,調(diào)整相應(yīng)DPA轉(zhuǎn)換,使實(shí)際輸出電壓與預(yù)值電壓相同。

    2　軟件設(shè)計(jì)

    程序設(shè)計(jì)主要包括鍵盤處理程序模塊、APD轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)模塊、DPA轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)模塊、誤差處理程序設(shè)計(jì)模塊、報(bào)警狀態(tài)輸出模塊等等。

    3　總結(jié)

    不同類型的探測(cè)器,所需要的供電高壓的大小不同。例如閃爍探測(cè)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(jì)數(shù)器GM計(jì)數(shù)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(yīng)能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié),經(jīng)測(cè)試本系統(tǒng)高壓連續(xù)調(diào)節(jié)的范圍為300～ 3000伏,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。