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陶瓷變壓器自適應控制系統硬件電路設計

發布時間:2012-08-21 09:53所屬分類:電力瀏覽:1加入收藏

壓電陶瓷變壓器是諧振體,只有在驅動電壓的頻率等于壓電陶瓷的固有頻率時,變壓器才能處于諧振狀態,進行有效的電壓輸出。而實際上壓電陶瓷變壓器

  摘要:壓電陶瓷變壓器是諧振體,只有在驅動電壓的頻率等于壓電陶瓷的固有頻率時,變壓器才能處于諧振狀態,進行有效的電壓輸出。而實際上壓電陶瓷變壓器的諧振頻率常常受到負載阻抗、環境因數的影響而發生變化。為了得到最佳輸出,需要跟蹤諧振頻率的變化對驅動頻率進行自動調整,另外又由于壓電陶瓷變壓器的輸出阻抗很大,當負載變化時,輸出電壓隨之變化,難以滿足高壓電源輸出電壓穩定性的技術要求,因此也需要一種調整電路對輸出高壓進行自動調整。本儀器用單片機來實現對壓電陶瓷的諧振頻率的自動跟蹤,保證壓電陶瓷的最佳工作狀態,滿足壓電陶瓷動態應用時期驅動電源的要求。

  關健詞:壓電陶瓷;自動控制;穩定電源

  Abstract: piezoelectric ceramic transformer is a resonant body, only the driving voltage frequency equal to the natural frequency of piezoelectric ceramic transformer, in order to resonant state, effective voltage output. But in fact the piezoelectric ceramic transformer resonant frequency is often affected by the load impedance, environment change. In order to obtain the best output, need to track changes in the resonant frequency of the driving frequency is automatically adjusted, and the piezoelectric ceramic transformer output impedance, when the load changes, the output voltage changes, can not meet the high voltage power supply output voltage stability and technical requirements, so it needs an adjustment circuit on the output voltage automatically adjustment. The instruments used to achieve single-chip for piezoelectric ceramic resonator frequency automatic tracking, guarantee the best working state of piezoelectric ceramics, piezoelectric ceramic dynamic application period to meet the drive power demand.

  Key words: piezoelectric ceramic; automatic control; power supply stability

  中途分類號:TF762+.6 文獻標識碼:A 文章編碼:

  本儀器硬件電路包括CPU部分、D/A轉換、運放電路、信號發生電路、驅動電路、反饋、隔離電路等, 原理框圖見圖1

  由原理框圖可見,從CPU發出的數字量經D/A轉換后,進行運算放大,放大后的電壓量驅動信號發生電路,產生的信號經放大后驅動負載,最后由反饋隔離電路反饋回CPU,進行輸出調整,使輸出滿足負載的電壓要求。具體電路如圖2所示。

  一、CPU外圍電路

  如圖3所示,

  CPU外圍電路主要包括晶振和復位電路,如上圖所示。

  二、 D/A轉換

  D/A轉換電路說明:

  如圖4所示,R-A、R-B、R-C、R-D接5V基準電壓輸入,時鐘接CPU的P1.1口,LOAD接P1.0口,LDAC接P1.3口,從CPU送出的信號經串行數據接口6腳輸入,TLC5620的串行輸入選擇位A1、A0分別為0、0,即選擇DAA為模擬輸出通道。然后經放大電路放大。

  具體過程如下:

  當LOAD為高電平時,數據在CLK每一下降沿由時鐘同步送入DATA端口,一旦所有的數據位送入,LOAD變為脈沖低電平以便把數據從串行輸入寄存器傳送到所選擇的DAC.如果LDAC為低電平,所選擇的DAC輸出電壓更新且LOAD變為低電平.而在串行編程期間內LDAC為高電平,新數值被LOAD的脈沖低電平打入第一級鎖存器后,再由LDAC脈沖低電平傳送到DAC輸出.數據輸入時最高有效位(MSB)在前. 表1列出A1和A0位以及被更新DAC的選擇.RNG位控制DAC輸出范圍.當RNG為低電平時,輸出范圍在所加的基準電壓與GND之間,當RNG為高電平時,輸出范圍在所加基準電壓的兩倍與GND之間。

  三、 運放電路

  由于陶瓷變壓器的起振頻率寬度很窄,ICL8038在8腳(調頻電壓輸入端)電壓變化幅度很小時(毫伏級)才能夠達到要求,因此這里選用精度很高的運放TLC2252來達到控制ICL8038的調頻電壓。通過對D/A轉換后的電壓進行放大,使得加在調頻電壓輸入端的電壓隨數字量的增加作毫伏級變化。使得ICL8038的輸出頻率能更好地穩定在壓電陶瓷的諧振頻率附近。具體電路如下圖(圖5)。經D/A轉換的模擬信號由2252的3腳輸入,1腳輸出,然后進行下一級放大,共經過三級放大后,由7腳(網絡標號C38)輸入到信號發生器8038。

  四、信號發生電路

  信號發生電路如圖6所示:

  此圖6中,8腳(網絡標號C38)接收放大后的電壓作為調頻電壓,9腳輸出矩形波。

  五 驅動電路

  ICL8038的帶負載能力較差,需要另加驅動,這里用很簡單的三極管放大電路作驅動,使NPN工作在放大區,PNP工作在截至區,這樣可以使輸出電阻很小,帶負載能力增強,另外加入新的驅動電壓,使陶瓷變壓器的起振電壓達到0~12V(可以使用電位器進行調解)。具體電路如下圖(圖7)。

  六 反饋隔離電路

  由于壓電陶瓷變壓器的輸出阻抗很大,當負載變化時,輸出電壓隨之變化,難以滿足高壓電源輸出電壓穩定性的技術要求,因此也需要隔離電路對輸出高壓進行隔離。光電耦合器件的輸入和輸出之間通過光信號的傳輸,對電信號是隔離的,沒有電信號的反饋和干擾,因而性能穩定。由于發光管和接收管之間的耦合電容很小(小于2pF),所以共模輸入電壓通過極間耦合電容對輸出電流的影響很小,因而共模抑制比很高,抗干擾能力強。

  從壓電陶瓷變壓器的輸出端口輸出的高壓經電阻分壓后,采用變壓器來隔離,經過整流濾波后送運算放大器放大,在用光藕隔離器件TTL117對放大后的電壓進行隔離,再反饋到CPU。經過CPU的軟件處理控制ICL8038的調頻電壓來時壓電陶瓷變壓器工作在最佳的諧振頻率。

  七 自適應性的實現

  先給定2051一定頻率電壓,經D/A轉換后放大,作為信號發生器8038的調頻電壓,8038的9腳輸出頻率與調頻電壓成正比的矩形波,矩形波經無失真放大后驅動壓電陶瓷變壓器。若此矩形波的頻率與壓電陶瓷變壓器的諧振頻率相同,則壓電陶瓷處于最佳諧振狀態,輸出電壓最大。由于壓電陶瓷變壓器有其獨特性質,當電源電壓,環境溫度,負載阻抗和振蕩頻率發生變化時,輸出特性將有較大的變化,變化的結果將集中反映在輸出電壓或輸出電流的變化量上,這個變化量經過變壓器,LF353放大,以及光電藕合后,反饋到CPU的P1.4腳,CPU將根據反饋電壓自動調整D/A輸出電壓,再由8038調節輸出頻率,使得輸出頻率在壓電陶瓷的諧振頻率上,實現對壓電陶瓷變壓器的自適應控制。

  參考文獻:

  [1] 柴荔英,張向紅,周桃生,鄺安祥. 雷達顯示器壓電陶瓷變壓器高壓電源研究. 電子變壓器技術,2001(9) No.3

  [2] 童詩白,華成英. 模擬電子技術基礎. 北京:高等教育出版社.1987.5

  [3] 柴荔英,張向紅,周桃紅,鄺安祥. 雷達顯示器壓電陶瓷變壓器高壓電源研究. 電子變壓器技術.2001.9

  [4] 侯志俊. 基于壓電陶瓷變壓器的超小型高壓電源. 電子源器件應用.2001.6第四期第六卷


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