專利名稱：一種用于電磁生物效應的線性可調高壓直流電源的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高壓電源，尤其是一種用于電磁生物效應的線性可調高壓直流電源。
背景技術：
動植物電磁生物效應是直接促進農業增產和改進產品品質的重要技術手段之一， 其研究需要大范圍、高精度直流電場，但目前使用的普通直流高壓電源存在輸出電場控制 精度低、范圍小、成本高等技術問題。比如，所使用的數控電源雖然操作方便，但是由其自身 數控特點所決定其輸出高電壓為階梯狀連續可調，而不是線性連續可調。 一個15kV的數控 電源，最小調節精度為60V，在要求高精度電壓輸出的電磁生物效應中，其無法滿足需求。張 春林、嚴萍等二人的文章"基于DSP的數字化高壓直流電流的研究"(《高電壓技術》2008年 10月第34巻、第IO期)，給出了一種獲取高壓直流電壓的方法，其所采用的設備由低壓部 分、高壓部分以及將二部分連接的高頻變壓器組成，高頻變壓器輸出端連接倍壓電路，通過 該設備可得到較好的高壓直流電壓。但是，該文中變壓部分采用的為高頻高壓變壓器，絕緣 等級及安全性要求較高；該文中高壓部分的電壓等級較高，故使用的硅堆和高壓電容，成本 較高，維護也不太方便；該文中低壓部分采用的是常規開關電源技術，開關電源會產生大量 諧波，會對電網造成影響。
發明內容
本發明的目的，在于克服現有的高壓直流電源輸出精度不高、最小調節精度數值 過大的不足，提供一種安全性高、成本較低、維護方便、且不會產生對電網造成影響的諧波 的高壓電源，該高壓電源不僅可以線性地連續調節輸出電壓，而且能通過數字顯示方式方 便地讀取當前輸出電壓的數值大小。 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是本線性可調高壓直流電源由低壓部 分、高壓部分及連接兩部分的高頻變壓器組成，高頻變壓器輸出端連接高壓部分的倍壓電 路，其中，所述低壓部分包括-高頻功率模塊，用于進行電平轉換與信號調制，其輸出為高頻方波功率信號提供 給高頻變壓器，本模塊以功率運算放大器為核心，構成電壓跟隨器與功率輸出系統；本模塊 包括-時鐘源電路l，用于提供通過功率變換所需的高頻功率信號，從而提供給高頻變 壓器進行高頻升壓；-電壓調節電路8，其輸入端與時鐘源電路1的輸出端連接，用于調節整個高壓直 流電源的電壓輸出，且將輸出電壓限幅，防止輸出給放大電路的電壓過高，致使高壓端輸出 超過額定電壓；-緩沖器電路2，其輸入端與電壓調節電路8的輸出端連接，用于提高系統輸入阻 抗，提高系統穩定性；
-放大電路3，其輸入端與緩沖器電路2的輸出端連接，用于將輸出電壓進行放 大；-高頻功率輸出電路4，其輸入端與放大電路3的輸出端連接，其核心部件為功率 運算放大器，用于向高頻變壓器15提供輸出的線性電壓；-顯示接口電路5，與高頻功率輸出電路4連接，在其端口設置有顯示電路接口 7， 用于顯示模塊的連接；-顯示模塊，與高頻功率模塊的顯示電路接口 7連接，用于顯示輸出電壓；-大功率直流電源，與高頻功率模塊連接，用于為高頻功率模塊提供所需變換為高
頻功率信號的電能； 所述高壓部分18除包括倍壓電路16外，還包括高壓輸出電路17，其輸入端與倍壓 電路16的輸出端連接，用于為電磁生物效應實驗提供穩定、連續、精確的高壓靜電場，且設 有保護電阻，防止短路時電流過大，防止器件損壞； 所述連接低壓部分和高壓部分的高頻變壓器15為高頻低壓變壓器，其輸入端與 高頻功率模塊的高頻功率輸出電路4的輸出端連接，用于連接低壓與高壓部分，并對低壓 部分構成電磁隔離保護，防止高壓干擾竄入低壓部分對低壓器件構成永久性損傷；
本線性可調高壓直流電源的工作過程是大功率直流電源提供各個部分所需電 能。時鐘源電路為系統提供高頻信號輸送給電壓調節電路，電壓調節電路調節高頻信號的 電壓幅值，使整個功率模塊輸出的電壓實現連續變化，得到線性電壓，再輸送給緩沖器電 路，緩沖器電路連接放大電路放大電壓值，將放大后的信號傳送給高頻功率輸出電路，使其 信號變為高頻功率信號，在高頻功率輸出端口處設計了顯示電路接口供顯示電路連接，輸 出電壓可在顯示模塊中觀察。高頻輸出端口連接高頻低壓變壓器，高頻低壓變壓器將低壓 高頻功率信號變換為高壓高頻功率信號，將此信號送給倍壓電路，使電壓得到進一步提升 達到預定值，最后通過高壓輸出電路輸出給負載。由于高壓直流電源需要為電磁生物效應 實驗提供穩定、精確的高壓靜電場，其攜帶負載較小，其工作時電壓降AU和紋波系數Su 根據公式(1) 、 (2)計算: <formula>formula see original document page 4</formula>
<formula>formula see original document page 4</formula> 式中，i為負載電流；f為工作頻率；C為倍壓電容值；N為倍壓級數。為了防止操 作失誤使高壓電源短路或發生閃絡時將有非常大的瞬時電流通過，對功率運放與高壓部分 產生損傷，所以增加保護電阻R來進行保護。 本發明的有益效果是，由于采用了電壓調節電路，使整個功率模塊輸出的電壓實 現連續變化，該輸出電壓線性連續可調，其線性度與穩定性都優于常規高壓直流電源，電能
轉換效率在80%以上。由于低壓部分與高壓部分之間采用高頻低壓變壓器，絕緣等級要求
相對較低，安全性更好。由于所使用的是常規器件，而非硅堆和高壓電容，故電壓等級較低， 方便維護，并且節約成本，在發生故障時也容易更換，且不會產生對電網造成影響的諧波。 輸出電壓可通過顯示模塊中觀察。
圖1是本發明的系統結構框圖； 圖2是高頻功率模塊結構框圖； 圖3是實施例中高頻功率模塊電路圖； 圖4是實施例中顯示電路圖； 圖5是實施例中正負電源電路圖； 圖6是實施例中倍壓電路及高壓輸出電路圖。 圖中各標記為1、時鐘源電路，2、緩沖器，3、放大電路，4、高頻功率輸出電路，5、 顯示接口電路，6、功率輸出電路端口 ， 7、顯示電路接口 ， 8、電壓調節電路，9、電壓輸入端口 ， 10、顯示電路，11、數碼管，12、7447顯示譯碼芯片，13、正負電源電路，14、高頻功率信號，15、 高頻低壓變壓器，16、倍壓電路，17、高壓輸出電路，18、高壓部分。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明，但實施例不是對本發明的限定。
實施例，以一種用于電磁生物效應實驗室的20kV線性可調高壓直流電源為例
在圖1中，本線性可調高壓直流電源分為低壓部分、高壓部分及連接部分。低壓部 分由高頻功率模塊、顯示模塊和大功率直流電源組成；高壓部分由倍壓電路與高壓輸出電 路組成；兩部分用高頻低壓變壓器連接使其對低壓部分構成電磁隔離保護，防止高壓干擾 竄入低壓部分對低壓器件構成永久性損傷。 電源部分負責為功率模塊和整個系統提供電能，由于使用了大功率運算放大器， 設計最高輸出功率為300W，峰值電流可達IOA，所以對電源的要求較高。本設計采用大功率 開關電源，輸出電壓為士40V、輸出功率500W直接為功率運放供電，其它芯片功耗都較小， 可采用常規穩壓芯片將40V電壓變換為所需電壓。 在圖2中與圖3中，高頻功率模塊負責進行電平轉換與信號調制，其輸出為高頻功 率信號14，該信號為方波，提供給高頻低壓變壓器15。其中，時鐘源1采用LM311電壓比較 器構成30kHz時鐘源，通過功率變換得到高頻功率信號14，從而提供給高頻低壓變壓器15 進行高頻升壓；緩沖器電路2和放大電路3由0P07通用高精度運算放大器組成，并且在緩 沖器電路2前向通道中設計了輸出電壓調節電路8，通過調節100kQ滑動變阻器，來調節整 個高壓直流電源的電壓輸出；通過調節前向通道上的電壓調節電路8，使整個功率模塊輸 出的電壓實現連續變化，從而達到了無級調壓的目的。電壓調節電路8將調節后的方波信 號傳送給緩沖器電路2 ;緩沖器電路2提高了放大電路3整體的輸入阻抗，還增強了系統的 抗干擾能力。功率輸出電路4采用0PA541功率運算放大器構成，其核心部件為0PA541功率 運算放大器，該功率運算放大器工作電壓為士40V，正負電壓差不超過80V，最大輸出電流 為IOA，為了保證器件安全工作，需要在其輸出端設置短路保護電阻R，將電信號反饋給功 率運算放大器的l引腳。放大電路3中的放大倍數為11倍不可調。功率輸出電路4設計 為電壓跟隨器，確保系統達到最小輸出阻抗，設計為最高輸出電壓36V。在功率輸出電路4 端口 6設計了顯示接口電路5，其接口為7，交流信號經過整流后輸出直流電壓，通過電容進 行整形，再通過一個小負載對電容進行實時放電，保證電容電壓隨輸出電壓同步變化，調節 10k Q滑動變阻器，使輸出端口電壓與高壓輸出端成線性關系，再通過連接顯示接口電路5進行電壓顯示。供電壓輸入端口9連接。低壓部分所有電路均為共地。
在圖4中，系統實現0V-20000V范圍數字顯示，顯示精度為IV，采用ICL7135四位 半數碼管顯示芯片構成顯示電路10 ;該芯片內嵌14位AD轉換器，需要外部提供運行時鐘， 時鐘頻率為120kHz。顯示芯片將需要顯示的數字傳送給7447顯示譯碼芯片12,7447顯示 譯碼芯片12采用共陽極驅動數碼管ll，利用灌電流控制數字顯示，確保了顯示系統的穩定 工作。電壓輸入端直接連接高頻功率模塊的顯示接口。 圖5為正負電源電路，在圖4中，顯示芯片需要正負兩種電源供電，故使用ICL7660 芯片通過正電源與電容組合構成正負電源電路13，可輸出-5V電源為顯示電路10供電。
在圖6中，低壓部分與高壓部分18通過高頻低壓變壓器15連接，低壓部分產生 的高頻功率信號14傳送給高頻變壓器15，高頻低壓變壓器15功率為500W、工作頻率為 30kHz、轉換效率為90%，初級對次級耐壓為2500VAC/1MIN、初級電感量315uH、漏感量最大 3uH。當輸入36V高頻功率方波給高頻變壓器時，其輸出電壓為720V。高頻低壓變壓器15 輸出電壓值最大為720V，再通過倍壓電路16將電壓提升到所需等級，因此倍壓電路16器件 的耐壓值不需要很高，不必采用硅堆、高壓電容等超高壓器件，不但節約了成本而且系統絕 緣等級在保證安全的情況下也可以相應降低。高壓輸出17設置了保護電阻R防止操作失 誤使高壓電源短路或發生閃絡時將產生非常大的瞬時電流通過，使功率運放與高壓部分產 生損傷。倍壓電路與高壓輸出電路采用IN4007 二級管耐壓值為1200V、高壓電容耐壓值為 1400V組成。
權利要求
一種用于電磁生物效應的線性可調高壓直流電源，由低壓部分、高壓部分及連接兩部分的高頻變壓器組成，高頻變壓器輸出端連接高壓部分的倍壓電路，其特征在于所述低壓部分包括-高頻功率模塊，用于進行電平轉換與信號調制，其輸出為高頻方波功率信號提供給高頻變壓器，本模塊以功率運算放大器為核心，構成電壓跟隨器與功率輸出系統；本模塊包括-時鐘源電路(1)，用于提供通過功率變換所需的高頻功率信號，從而提供給高頻變壓器進行高頻升壓；-電壓調節電路(8)，其輸入端與時鐘源電路(1)的輸出端連接，用于調節整個高壓直流電源的電壓輸出，且將輸出電壓限幅，防止輸出給放大電路的電壓過高，致使高壓端輸出超過額定電壓；-緩沖器電路(2)，其輸入端與電壓調節電路(8)的輸出端連接，用于提高系統輸入阻抗，提高系統穩定性；-放大電路(3)，其輸入端與緩沖器電路(2)的輸出端連接，用于將輸出電壓進行放大；-高頻功率輸出電路(4)，其輸入端與放大電路(3)的輸出端連接，其核心部件為功率運算放大器，用于向高頻變壓器(15)提供輸出的線性電壓；-顯示接口電路(5)，與高頻功率輸出電路(4)連接，在其端口設置有顯示電路接口(7)，用于顯示模塊的連接；-顯示模塊，與高頻功率模塊的顯示電路接口(7)連接，用于顯示輸出電壓；-大功率直流電源，與高頻功率模塊連接，用于為高頻功率模塊提供所需變換為高頻功率信號的電能；所述高壓部分(18)除倍壓電路(16)外，還包括高壓輸出電路(17)，其輸入端與倍壓電路(16)的輸出端連接，用于為電磁生物效應實驗提供穩定、連續、精確的高壓靜電場，且設有保護電阻，防止短路時電流過大，防止器件損壞；所述連接低壓部分和高壓部分的高頻變壓器(15)為高頻低壓變壓器，其輸入端與高頻功率模塊的高頻功率輸出電路(4)的輸出端連接，用于連接低壓與高壓部分，并對低壓部分構成電磁隔離保護，防止高壓干擾竄入低壓部分對低壓器件構成永久性損傷。
全文摘要
本發明提供了一種用于電磁生物效應的線性可調高壓直流電源，由低壓、高壓兩部分及連接兩部分的高頻低壓變壓器組成，低壓部分包括由依次連接的時鐘源電路、電壓調節電路、緩沖器電路、放大電路、高頻功率輸出電路組成的高頻功率模塊、顯示模塊和大功率直流電源；高壓部分包括倍壓電路和與之連接的高壓輸出電路，高頻低壓變壓器的初、次級分別與高頻功率輸出電路的輸出端和倍壓電路的輸入端連接。本直流電源輸出的電壓線性連續可調，其線性度與穩定性都優于常規高壓直流電源，因采用高頻低壓變壓器和使用常規器件，絕緣等級要求用電壓等級較低，安全性更好。方便維護，節約成本，在發生故障時易更換，且不會產生對電網造成影響的諧波。
文檔編號H02M3/24GK101697451SQ200910095080
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月23日 優先權日2009年10月23日
發明者姜濤, 張云偉 申請人:昆明理工大學;