一種基于功率放大器的恒流源設(shè)計

在斷路器可靠性試驗設(shè)備中，試驗電源的穩(wěn)定、精確是保證測試可靠的基礎(chǔ)。否則，無論是在斷路器出廠試驗還是型式試驗中，都會因為測試電源的波動使校驗后的產(chǎn)品存在著合格品被判為不合格，而不合格品被判為合格的可能。傳統(tǒng)恒流源制作是利用二極管、三極管、集成穩(wěn)壓源的特性制作的參數(shù)穩(wěn)流器、串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)流電源、開關(guān)穩(wěn)流源等，但往往存在著輸出電流范圍小、穩(wěn)流精度不高、效率較低、可靠性較差、輸出紋波大等缺點。我們設(shè)計了一種基于AT89C51的恒流源控制系統(tǒng)，電流輸出0?100A，電流精度≤2%，電壓輸出15V，能實現(xiàn)快速、高精度、靈活、多功能的控制要求，在斷路器可靠性試驗中提供了穩(wěn)定、精確的試驗電源。

　　主電路的組成

　　主電路是由電壓電流調(diào)節(jié)電路，升流變壓器，電流檢測反饋電路，輸入控制和顯示等幾部分電路構(gòu)成的，以上各個模塊都是由AT89C51來控制的，其總體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　1 電壓電流調(diào)節(jié)電路

　　電壓調(diào)節(jié)模塊主要由變壓器和DS1267數(shù)字電位器構(gòu)成，單個DS1267可調(diào)精度最大為16位，可知單次最小變化量為1/512，對于220V電壓來說基本可認為是線性關(guān)系，符合恒流源的電壓調(diào)節(jié)精度。電流調(diào)節(jié)模塊主要由TDA2030芯片和大功率晶體管2SA1302、2SC3281組成的。其中，2SA1302與2SC3281組成推挽功率放大結(jié)構(gòu)，為了增加輸出電流，采用了兩路相同結(jié)構(gòu)的并聯(lián)電路，其電路如圖2所示。

圖2 推挽功率放大電路

　　圖2中，當(dāng)輸入電壓信號時，由于IN4001兩個二極管的動態(tài)電阻很小，且R2的阻值較小，可以認為2SA1302管基極電位的變化與2SC3281管基極電位的變化近似相等，兩個基極的電位隨輸入電壓uin產(chǎn)生相同的變化。當(dāng)處于輸入信號的正半周，且uin逐漸增大時，2SA1302管基極電流隨之增大，發(fā)射極電流也必然增大，負載電阻(即升流變壓器)RL上得到正方向的電流；當(dāng)uin減小到一定數(shù)值時，2SC3281管截止。因此輸入信號的正半周主要是2SA1302管發(fā)射極驅(qū)動負載。同樣道理，負半周期主要是2SC3281管發(fā)射極驅(qū)動負載。

　　2 升流變壓器

　　本試驗要求產(chǎn)生0～100A的大電流，考慮到本電流源用于斷路器在線檢測，斷路器觸點接觸電阻是15mΩ，這樣在負載上消耗的功率應(yīng)該為P=I2R=1002×0.015=150W。負載消耗功率150W，考慮變壓器效率及功率裕度，我們選用升流變壓器的額定容量為500VA。

　　鐵芯面積S與升流變壓器功率P滿足下面經(jīng)驗公式：ln(S)=0.498×ln(P)+0.22。帶入功率P=500VA，可算出鐵芯截面積S=53.144cm2。根據(jù)計算結(jié)果，取S=54cm2，選用硅鋼片中間舌尺寸a=6cm，疊厚尺寸b=9cm。

　　根據(jù)鐵芯截面積S和鐵芯的磁通密度B，初級線圈的每伏圈數(shù)N可由下式確定：ln(N)=-0.494×ln(P)－0.317×ln(B)＋6.439。采用質(zhì)量優(yōu)良的硅鋼片，鐵芯B值取11000高斯，計算得到每伏匝數(shù)N=0.831。初級電壓取220V，初級匝數(shù)N1=220×0.831=183；次級電壓取7V，次級匝數(shù)N2=7×0.831=6。

　　初、次級匝數(shù)以及次級最大電流100A，次級電流：I1=I2×N2/N1=3.4A。根據(jù)經(jīng)驗，每安培電流分配0.3mm2導(dǎo)線截面積。這樣初級導(dǎo)線截面積為1.02mm2，初級導(dǎo)線可選用135mm2扁銅線。次級導(dǎo)線截面積為30mm2，次級導(dǎo)線可選用240mm2扁銅板。

　　3 電流檢測反饋電路控制顯示模塊

　　電流檢測反饋模塊由電流互感器、精密絕對值電路、有源低通濾波器以及A/D轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。根據(jù)輸出電流，我們選擇DHKYZ-500型號電流互感器作為電流采樣傳感器，該傳感器滿量程電流為500A，滿量程次極輸出電流為100mA，為了滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入量程(0～5V)的要求。A/D轉(zhuǎn)換需要直流信號，因此需對交流信號進行調(diào)理，本設(shè)計所用的精密整流電路如圖3所示，該電路主要由兩個雙運算放大器TL062和相關(guān)元器件組成。電路的輸入電壓uin為電流互感器感應(yīng)輸出的電流。

圖3 精密整流電路

　　如圖3所示，當(dāng)ui>0時，Dl導(dǎo)通，D2反向阻斷，可以算出u11=-ui/2，u12=-u11=ui/2>0；當(dāng)ui<0時，Dl反向阻斷，D2導(dǎo)通，對于第一個運算放大器TL062，可得u11=-ui/3，從而可以算得u12=-ui/2>0，u21=-2u12，最后得uo=-u21=2u12，所以輸出全波整流波形。

　　由于精密整流電路輸出的信號是脈動直流信號，不能直接作為AD采樣的輸入信號，因此還必須先經(jīng)過低通濾波器，濾除交流分量，取出直流分量，再給A/D轉(zhuǎn)換器輸入。

4 控制顯示模塊

　　目前工業(yè)控制中的LED顯示驅(qū)動電路普遍采用一種定時或中斷控制方式，這種方式要占據(jù)CPU一部分時間，而且動態(tài)顯示往往具有亮度不夠，閃爍等特點，而靜態(tài)顯示又有硬件電路復(fù)雜等缺陷。本系統(tǒng)采用OD-DM12864液晶模塊，其可直接與微機串行口相連，完全解決了LED顯示的諸多不足。用戶只需對位和控制寄存器編程，就可選擇譯碼方式、顯示亮度、關(guān)閉等功能。

　　控制算法及程序設(shè)計思路

　　1 控制算法選擇

　　恒流源元件檢測是通過一個多參數(shù)相互耦合的時變非線性系統(tǒng)來進行的，影響電流檢測的精度因素很多，并有很大的隨機性，很難用精確的數(shù)學(xué)模型來描述，即使通過一些手段簡化系統(tǒng)后建立了對象的簡單數(shù)學(xué)模型，控制效果也不是很好。另外，由于電流隨元件參數(shù)的變化而變化，要求控制算法的實時性高，控制過程較為復(fù)雜。因此，權(quán)衡各種控制方法的優(yōu)缺點，我們用PID實現(xiàn)實時控制。

　　2 程序設(shè)計思路

　　根據(jù)系統(tǒng)需要在此采用了模塊化程序設(shè)計方法，按照硬件功能模塊將程序分解成模塊，然后定義各個模塊的功能和對接口定義。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

　　實驗調(diào)試

　　本實驗輸入交流220V，輸出端為直流15V左右的直流電壓。測量用電流互感器的精度為0.5級和鉗表精度1.0%rdg±10dgt，實驗記錄電流測試值，如表1所示。

　　從表1可以看出，設(shè)置輸入值與電流互感器檢測到的值存在一定偏差，但能控制在1%左右，滿足設(shè)計要求。鉗表值有時偏差較大，也是誤差范圍之內(nèi)。因此結(jié)果是符合實際測量精度要求的。