專利名稱：無觸點二進制變壓器調壓電源的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種無觸點二進制變壓器調壓電源，屬于電子電器技 術，該技術可以用于振動樣品磁強計(簡稱VSM)上使用的《大功率掃描電源》。 它適合于自動、快速、較精密、可計算機控制的用二進制變壓器的電壓調節， 如線圈和電磁鐵磁場穩定調節、交流電的穩壓等。
背景技術：
目前，二進制變壓器調壓是用的繼電器結構，它優點是無須手動、調節范 圍較大、精度也較細；缺點是l、調節速度慢，因為是繼電器切換，過渡時間相 比無觸點電路，要長的多。由其是功率型繼電器的切換更慢， 一般都在毫秒級 甚至于秒級；2、有斷電點，觸點跳變，路過當中的行程必然會有一瞬間斷電過 程；3 、機械觸點間易產生火花拉弧，使得設備干擾大、控制復雜。發明內容本發明目的是針對上述不足之處，提供了一種無觸點二進制變壓器調壓電 源，解決了大功率掃描電源的特殊要求1、 功率大、控制要求嚴密。VSM系統在電磁鐵上的功率是3KW-15KW，大 電流、低中高壓都有，功率和本身功耗都很大。后端掃描電源相當于本電源的 負載，好的、高級的一些掃描電源是高壓大電流恒流源，為了它的工作，需要 前端電源提供的電壓電流跟蹤掃描電源的工作狀態；2、 調節跟蹤速度要求快。因為掃描電源的工作狀態是動態的，即電流、電
壓是不斷變化著，所以無觸點二進制變壓器調壓電源的輸出要隨著負載的變化 而跟蹤、調節輸出；3、本實用新型無觸點二進制變壓器調壓電源可以通過計算機操作、聯機， 并與系統所有的機器共同受計算機操作控制。無觸點二進制變壓器調壓電源是采取以下方案實現無觸點二進制變壓器調壓電源包括中央處理器CPU、過零信號檢測電路、電源監測(看門狗)和存儲器(串行EEPR0M)、反饋信號電路、互鎖觸發信號的產生電路、驅動單元電路、可控硅陣列電路、直流輸出正負切換電路、直流輸出 整流濾波電路、串行接口電路。中央處理器CPU采用單片計算機，是由一片MCS51型的單片計算機來操作、 邏輯控制的，將需要的狀態、條件、目的等編為程序輸入至單片機程序存儲器 中，再由單片機自動控制。過零信號電路，前與交流電源相連接，后與中央處理器CPU中斷引腳相連 接。過零信號電路采用CA3059可控硅觸發集成塊，交流信號由信號輸入端輸入， 驅動輸出接中央處理器CPU中斷引腳，該芯片不但有過零信號電路，也包含了 驅動電路(見下面驅動單元電路)。反饋信號電路包括A/D轉換器、直流輸出正負電壓信號反饋電路。A/D轉換 器，前接負載監測端，后接中央處理器CPU輸入端口。它測量負載或后面需監 測、控制的電壓，轉換成數字反饋信號給中央處理器CPU，與輸出形成閉合鏈的 方式。反饋信號電路芯片采用ADC系列，如ADC0805。直流輸出正負切換電路反饋信號是用在直流負載的情況下，前接負載，后接 中央處理器CPU輸入端。將負載或后面需監測、控制的正負電壓信號，通過隔
離轉輸給中央處理器CPU，采用數顯表頭集成電路ICL7107等，取它的正負信號 通過光耦隔離(如用4N25)轉輸至中央處理器CPU。電源監測(看門狗)和存儲器(串行EEPROM):電源監測(看門狗)前接中 央處理器CPU工作電源正端，后接CPU的復位端(RST腳)；存儲器(串行EEPROM) 數據線接中央處理器CPU的輸入/輸出(I/O 口)端。互鎖觸發信號的產生電路互鎖的單元組信號，前接中央處理器CPU輸出端 口，后接驅動單元。中央處理器CPU輸出的數字調壓信號，經過數字電路或可 編程邏輯器件，轉換成每組只能是(l,O)或(O， l)的互鎖信號，1代表可控硅導通， O代表可控硅截止，同組可控硅(相當于一組繼電器的常閉、常開觸點)不可能同 時導通。驅動單元電路設有若干組，上接互鎖觸發信號的輸出端，下接可控硅陣列中 的大可控硅觸發端，提供一定功率、帶相位的觸發信號至大可控硅觸發端。可控硅陣列電路包括大功率變壓器、若干個大功率可控硅。原理圖為附圖二， 交流電輸入至大功率變壓器，大功率變壓器有多組輸出，每組輸出接一組二只 可控硅，多組形成一可控硅陣列，也是機器整體交流電的輸入、切換、交流電 的輸出，每組可控硅的觸發端G+、 G-接驅動單元電路。直流輸出正負切換電路，與中央處理器CPU信號輸出端相接，中央處理器 CPU提供控制信號輸入直流輸出正負切換電路，前后接直流輸出整流濾波電路。 直流輸出正負切換電路采用ULN2003集成塊或驅動三極管S8050等。由中央處 理器CPU得到的正負信號要求，輸出控制信號，使繼電器、可控硅切換直流的 正負向。直流輸出整流濾波電路包括整流電路、濾波電路。整流電路采用大功率橋式 整流模塊，濾波電路采用大容量電介電容。
串行接口電路采用中央處理器CPU串行接口， CPU的RXD、 TXD腳輸出，232 口用max232等芯片、485 口用maxl487等芯片，與外部儀器、設備、計算機等 聯機。工作原理如下繼電器和無觸點兩種二進制變壓器調壓的控制方式是有很大區別的，這是 本技術能夠實現，并應用到實際當中的關鍵。繼電器二進制變壓器調壓用線路 自動調壓還未在資料上見過，資料只提過用波段幵關選定電壓，這是因為它固 有的缺陷所決定。而無觸點二進制變壓器調壓不但沒有這些缺陷，控制方面可 采取邏輯線路和計算機(單片機)等的快速控制，具體如下1、 三路負載調節信號輸入CPU:(1) 、 A/D轉換器是負載的電壓大小測量，根據這個值的大小和儲存在CPU中所需應該電壓比較，CPU的I/0口輸岀一個與調節負載電壓大小對應的數字信號；(2) 、由交流電和元器件檢測出交流電過零信號，目的是調節負載電壓大小對 應的數字信號輸出時的相位，對應于交流電零相位，即可控硅零電壓觸發。可控硅導通采用了過零觸發方式，雖然此處不用過零觸發方式有時也可工作，但有以下幾個問題使得機器不可靠a、 同組可控硅會一個未關斷，另一個便會同時導通而形成短路燒器件。b、 不在零點觸發，可控硅會在交流電峰值或瞬態電壓較高時觸發導通，電流、電壓從0直接跳至較高或很高，對后部線路和電器的沖擊是可想而知的；(3) 、正負信號只用在直流負載中使用，它輸入至CPU， CPU產生正負切換信號， 驅動換向繼電器或可控硅，給負載提供所需正或負向的電壓。2、 由CPU輸出的調節負載電壓大小對應的數字信號，需要轉換為互鎖的單
元組信號，才能連接到可控硅驅動單元電路，再去觸發可控硅陣列。 同組可控硅常開、常閉的互鎖G+是Tl、 T3、 一、 T13可控硅奇數觸發端Gl、 G3、 一-、 G13,觸發相當于常 開可控硅；G-是T2、 T4、 — 、 T14可控硅硅偶數觸發端G2、 G4、 — 、 G14，是由 奇數觸發端信號通過數字電路倒相成偶數觸發端信號，觸發相當于常閉可控硅； 因此每組可控硅的觸發是由一組奇偶(信號互異)觸發端觸發，它們不可能同時 被觸發導通。3、 驅動單元電路是將觸發信號(TTL信號)產生驅動電流，可控硅我們采用 兩種觸發方式可控硅I象限觸發(交流觸發)和可控硅I、 III象限觸發(直 流觸發)。I象限觸發(交流觸發)觸發信號通過光耦隔離傳輸，觸發小功率雙向可控 硅，小功率雙向可控硅產生的交流電流，去觸發大可控硅；I 、 III象限觸發(直流觸發)觸發信號通過光耦隔離傳輸，觸發三極管，產生的直流電流觸發大可控硅。4、 可控硅陣列即圖二部分，它輸出的交流電就可接交流負載，通過常規整流、 濾波和由CPU控制的正負切換、便可接直流負載。5、 電源監測(看門狗)和存儲器(串行EEPR0M)在一個芯片中，電源監測 (看門狗)對CPU工作電源和程序運行狀態進行監測，當工作電源異常時，及時處理電路的工作和數據的保存。當程序運行狀態不正常時或跑飛時，通過(看 門狗)將CPU重新初始化，使程序運行正常；(串行EEPR0M)可以存儲程序初始數據和運行數據。6、 各種電壓的實現、穩定電壓的方式和自動跟蹤負載的調節
在本技術中，由于是可用計算機控制，控制信號的產生較容易，因此一些特 殊控制信號可以使電壓調節范圍是可變的，例如上面舉例是1 —12SV，如果需要1 —159V，則變壓器的最后再加一組輸出電壓是31V線圈即可。31V不是二進 制電壓，這里已延拓出二進制概念，又譬如級數(電壓間隔)不一定是IV,中間線圈電壓也不一定是二進制電壓，可以等級數調壓，也可非線性電壓調整。使用A/D轉換器與輸出形成閉合鏈，電壓、電流轉換成數字信號反饋至 CPU,CPU再根據電壓、電流范圍的選擇，產生可調節輸出的控制信號，快速跟蹤 了輸出電壓、電流，從而達到我們所需要的輸出電壓和電流，成為優良或特別的設備、儀器。譬如電壓穩定在一定范圍的穩定電源交流穩壓器等。當負載需要直流正負電壓變換，如掃描電源由零電流一(掃描至)最大正電流—零電流一最大負電流一零電流的連續變化，A/D轉換器與輸出形成閉合鏈，配 合正負信號輸入CPU， CPU便會知道自動切換；再如負載有幾級，其中一級通過 A/D轉換器對電壓進行控制，可使整機的功耗限制在一定的范圍內，大功率恒流 源的恒流管端電壓反饋控制便如此。無觸點二進制變壓器調壓電源特點1、 無觸點二進制變壓器調壓可適應很多負載功率大、負載電壓需要跟蹤場 合，并可與輸出形成閉合環，對負載能起到一定范圍的自動調節和監控作用。2、 由無觸點電子電路組成，控制運行速度快、無接觸不良、無機械觸點的易損耗和火花干擾。3、 可適應交流、直流或雙向直流等的各種負載，并且電源自身不會產生諧 波、雜波和干擾等，是干凈優質的電源。4、 計算機控制，可以有數碼或液晶顯示、先進的輸入方式等優異的人機界
面，還可有數據或運行設置的存儲空間或大存儲空間等等。最大的優點是可以 很方便的與其它機器或計算機聯網、通信，形成高檔的自動控制系統設備或儀 器。5、電壓調節范圍的靈活性和較精細性，調節最大范圍是變壓器最小電壓線 包至變壓器線包電壓總和，級數1V、 2V、 0.5V等等…，甚至于根據需要不選級 數，由于計算機控制，可以在任意時刻跳至最大調節范圍內的任意電壓。
以下將結合附圖對本實用新型作進一步說明。 圖1是現有的繼電器二進制變壓器調壓原理圖。 圖2是無觸點二進制變壓器調壓電源的可控硅陣列電路原理圖。 圖3是無觸點二進制變壓器調壓電源的電子線路原理框圖。 圖4是無觸點二進制變壓器調壓電源的分立器件可控硅I象限觸發的驅 動單元電路原理圖。
具體實施方式
參照附圖l，現有的繼電器二進制變壓器調壓原理圖，其原理是利用交流電 二進制電壓IV、 2V、 4V、 8V、 16V、 32V、 64V的各種組合，形成各間隔最小為 IV，從1V至128V的可調電壓輸出。例如我們需要17V交流電源，通過1V+16V 兩個的組合輸出達到目的(圖一中J1、 J5常開閉合)。本實用新型使用可控硅替代繼電器進行無觸點二進制變壓器的調壓，是本 技術的關鍵，可控硅的線路接法見附圖2， 二個可控硅為一組代替一個繼電器， 上一個可控硅相當于繼電器常開觸點，下一個相當于常閉觸點，只是這組觸點 非常快，是微秒級的，且無機械觸點的固有缺陷。
參照附圖2、 3、 4，無觸點二進制變壓器調壓電源包括中央處理器CPU、過零信號檢測電路、電源監測(看門狗)和存儲器(串行EEPR0M)、反饋信號電路 (A/D轉換器電壓大小反饋和直流輸出正負電壓信號反饋)、互鎖觸發信號的產 生、驅動單元電路、可控硅陣列電路、直流輸出正負切換電路、直流輸出整流 濾波電路、串行接口電路。中央處理器CPU采用單片計算機，中央處理器CPU是線路的核心，由一片MCS51型的單片計算機來操作、邏輯控制的，將需要的狀態、條件、目的等編為程序 輸入至單片機程序存儲器中，再由單片機自動控制。線路的核心中央處理器CPU是由一片MCS51型的單片計算機來操作、邏輯控 制的，將我們需要的狀態、條件、目的等編為程序輸入至單片機程序存儲器中， 再由單片機自動控制。CPU我們用的是Atrnel公司的89系列，如89C51,或者其它系列單片機，在此 內含類似于CPU有編程、智能功能的芯片，甚至于計算機本身和嵌入式計算機 系統也都可以采用；過零信號電路，前與交流電源相連接，后與中央處理器CPU中斷引腳相連 接。過零信號電路采用CA3059可控硅觸發集成塊，交流信號由信號輸入端輸入， 驅動輸出接中央處理器CPU中斷引腳，該芯片不但有過零信號電路，也包含了 驅動電路(見下面驅動單元電路)。過零信號電路，也可以采用分立元件電路， 它包括取樣信號和零信號產生，取樣信號由降壓變壓器或電阻網絡組成。反饋信號電路包括A/D轉換器、直流輸出正負電壓信號反饋電路。A/D轉換 器，前接負載監測端，后接中央處理器CPU輸入端口。它測量負載或后面需監 測、控制的電壓，轉換成數字反饋信號給中央處理器CP(J，與輸出形成閉合鏈的 方式。反饋信號電路芯片采用ADC系列，如ADC0804, A/D轉換器有多種可用， 有的單片機本身帶有A/D轉換器，工作方式是相同。反饋信號電路中A/D轉換器采用ADC0804集成塊,前接負載電壓，后輸出轉換過的電壓數字信號給CPU; 直流輸出正負電壓信號反饋電路采用數顯表頭集成電路ICL7107，取它的正負信 號通過光耦隔離轉輸至中央處理器CPU。直流輸出正負切換電路反饋信號是用在直流負載的情況下，前接負載，后接 中央處理器CPU輸入端。將負載或后面需監測、控制的正負電壓信號，通過隔 離轉輸給CPU,采用數顯表頭集成電路ICL7107等，取它的正負信號通過光耦隔 離(如用4N25)轉輸至CPU。電源監測(看門狗)和存儲器(串行EEPROM):電源監測(看門狗)前接CPU 工作電源正端，后接CPU的復位端(RST腳)；存儲器(串行EEPROM)數據線接 CPU的輸入/輸出(I/0口)端。釆用雙功能合一的，美國Xicor公司的X5045芯 片，也可采用其它功能分開的芯片，如看門狗MAX813或直接包含看門狗的CPU 和25、 93等系列的串并行EEPR0M。看門狗監控CPU電源開與關、程序異常和程 序跑飛，EEPROM存儲程序初始化藪據和運行數據；互鎖觸發信號的產生電路互鎖的單元組信號，前接中央處理器CPU輸出 端口，后接驅動單元。中央處理器CPU輸出的數字調壓信號，經過數字電路或 可編程邏輯器件，轉換成每組只能是(1,0)或(0,1)的互鎖信號，l代表可控硅導 通，o代表可控硅截止，同組可控硅(相當于一組繼電器的常閉、常開觸點)不可 能同時導通。采用數字電路如4041有Q、 Q互鎖輸出即可。用一組中Q是CPU 直接輸出(也可加鎖存器74HC373等)，巧用反向器4069、 4502等輸出。或可編 程邏輯器件如GAL系列，經過編程為同上面所指等效的數字電路。互鎖觸發信 號的產生電路采用數字集成電路如4502，將中央處理器CPU輸出的數字可控硅 觸發信號轉換為互鎖觸發信號，后接入驅動單元電路。
驅動單元電路設有若千組，上接互鎖觸發信號的輸出端，下接可控硅陣列 中的大可控硅觸發端，提供一定功率、帶相位的觸發信號至大可控硅觸發端。驅動單元電路采用雙向可控硅97A6、光耦4N25分立件，釆用可控硅I象限觸發 (交流觸發)。 具體的觸發信號有以下幾點1、 可控硅I象限觸發(交流觸發)，見附圖4， P+、 P-接互鎖信號進來，接 光耦U6、 U7將前級信號部分與可控硅部分隔離，然后觸發97A6:雙向小功率可 控硅Q2、 Q3，產生交流從G+、 G-去觸發大可控硅。下部還有一些阻容件、整流 二極管是給驅動單元提供觸發電流。2、 可控硅I 、 III象限觸發(直流觸發)，每組是用二只三極管提供直流觸發 大可控硅的，其它與l、基本相同。3、 集成電路電路直接過零觸發大可控硅，上過零信號電路已敘述，采用 CA3059，能產生過零信號，也可直接過零觸發大可控硅。功能相同集成電路KC-08 等也可以用。大可控硅和觸發電路的組合，即可以用固態繼電器，固態繼電器 是集成電路、大可控硅等的組合模塊，特別是本身具有過零觸發(內含CA3059 等集成電路)的固態繼電器用在此處更方便，只需要弱信號觸發，當然成本要略 高一些。這時過零信號不接入CPU，隔離光耦、過零信號、功率驅動、大可控硅 為一體，CPU只產生一觸發電平通過隔離光耦控制可控硅的導通關閉-,可控硅陣列電路包括大功率變壓器、若干個大功率可控硅。原理圖為附圖2， 前已述敘，交流電輸入至大功率變壓器，功率變壓器有多組輸出，每組輸出接 一組二只可控硅，多組形成一可控硅陣列，也是機器整體交流電的輸入、切換、 交流電的輸出，每組可控硅的觸發端G+、 G-接驅動單元電路。可控硅可采用雙
向的如3CTS系列、單向如3CT系列組合成雙向可控硅方式，也可用可控硅模 塊、固態繼電器等。可控硅陣列電路采用多組電壓的變壓器和多組由3CTS雙向 可控硅組成的陣列電路，交流電由變壓器輸入端接入，可控硅陣列電路的輸出 調壓后的交流電。直流輸出正負切換電路，與中央處理器CPU信號輸出端相接，中央處理器 CPU提供控制信號輸入直流輸出正負切換電路，前后接直流輸出整流濾波電路。 直流輸出正負切換電路采用ULN2003或驅動三極管S8050等。由中央處理器CPU 得到的正負信號要求，輸出控制信號，使繼電器、可控硅切換直流的正負向。直流輸出整流濾波電路包括整流電路、濾波電路。整流電路采用大功率橋式 整流模塊，濾波電路采用大容量電介電容。串行接口電路采用中央處理器CPU串行接口， CPU的RXD、 TXD腳輸出，232 口用max232等芯片、485 口用maxl487等芯片，與外部儀器、設備、計算機等 聯機傳遞數據、受外部控制或控制外部設備、聯動操作、組成大的控制系統 等等。
權利要求1、一種無觸點二進制變壓器調壓電源，其特征在于包括中央處理器CPU、過零信號檢測電路、電源監測和存儲器、反饋信號電路、互鎖觸發信號的產生電路、驅動單元電路、可控硅陣列電路、直流輸出正負切換電路、直流輸出整流濾波電路、串行接口電路；中央處理器CPU采用單片計算機，是由一片MCS51型的單片計算機來操作、邏輯控制的；過零信號電路，前與交流電源相連接，后與中央處理器CPU中斷引腳相連接；反饋信號電路包括A/D轉換器、直流輸出正負電壓信號反饋電路，A/D轉換器，前接負載監測端，后接中央處理器CPU輸入端口，它測量負載或后面需監測、控制的電壓，轉換成數字反饋信號給中央處理器CPU，與輸出形成閉合鏈的方式；直流輸出正負切換電路反饋信號，前接負載，后接中央處理器CPU輸入端，將負載或后面需監測、控制的正負電壓信號，通過隔離轉輸給中央處理器CPU；電源監測和存儲器，電源監測前接中央處理器CPU工作電源正端，后接中央處理器CPU的復位端；存儲器數據線接中央處理器CPU的輸入/輸出端；互鎖觸發信號的產生電路，前接中央處理器CPU輸出端口，后接驅動單元；驅動單元電路設有若干組，上接互鎖觸發信號的輸出端，下接可控硅陣列中的大可控硅觸發端；可控硅陣列包括大功率變壓器、若干個大功率可控硅，大功率變壓器有多組輸出，每組輸出接一組二只可控硅，多組形成一可控硅陣列，每組可控硅的觸發端G+、G-接驅動單元電路；直流輸出正負切換電路，與中央處理器CPU信號輸出端相接，中央處理器CPU提供控制信號輸入直流輸出正負切換電路，前后接直流輸出整流濾波電路；直流輸出整流濾波電路包括整流電路、濾波電路；串行接口電路采用中央處理器CPU串行接口。
2、 根據權利要求l所述的無觸點二進制變壓器調壓電源，其特征在于可控 硅陣列電路采用多組電壓的變壓器和多組由3CTS雙向可控硅組成的陣列電路， 交流電由變壓器輸入端接入，可控硅陣列電路的輸出調壓后的交流電。
3、 根據權利要求l所述的無觸點二進制變壓器調壓電源，其特征在于過零 信號電路采用CA3059可控硅觸發集成塊，交流信號由信號輸入端輸入，驅動輸 出接中央處理器CPU中斷引腳，該芯片有過零信號電路，也包含了驅動電路。
4、 根據權利要求l所述的無觸點二進制變壓器調壓電源，其特征在于反饋 信號電路中A/D轉換器采用ADC0804集成塊，前接負載電壓，后輸出轉換過 的電壓數字信號給CPU;直流輸出正負電壓信號反饋電路采用數顯表頭集成電路 ICL7107，取它的正負信號通過光耦隔離轉輸至中央處理器CPU。
5、 根據權利要求l所述的無觸點二進制變壓器調壓電源，其特征在于互鎖 觸發信號的產生電路采用數字集成電路4502，將中央處理器CPU輸出的數字可 控硅觸發信號轉換為互鎖觸發信號，后接入驅動單元電路。
6、 根據權利要求l所述的無觸點二進制變壓器調壓電源，其特征在于驅動 單元電路采用雙向可控硅97A6、光耦4N25分立件，采用可控硅I象限觸發。
7、 根據權利要求l所述的無觸點二進制變壓器調壓電源，其特征在于直流 輸出正負切換電路采用ULN2003集成塊或驅動三極管S8050。
專利摘要本實用新型涉及的是一種無觸點二進制變壓器調壓電源，屬于電子電器技術，該技術可以用于振動樣品磁強計(簡稱VSM)上使用的《大功率掃描電源》。它適合于自動、快速、較精密、可計算機控制的用二進制變壓器的電壓調節，如線圈和電磁鐵磁場穩定調節、交流電的穩壓等。包括中央處理器CPU、過零信號檢測電路、電源監測和存儲器、反饋信號電路、互鎖觸發信號的產生電路、驅動單元電路、可控硅陣列電路、直流輸出正負切換電路、直流輸出整流濾波電路、串行接口電路；中央處理器CPU采用單片計算機，是由一片MCS51型的單片計算機來操作、邏輯控制的；過零信號電路，前與交流電源相連接，后與中央處理器CPU中斷引腳相連接。
文檔編號H02M5/12GK201051717SQ20072003841
公開日2008年4月23日 申請日期2007年7月9日 優先權日2007年7月9日
發明者俞躍華 申請人:俞躍華