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  • LED路灯的恒流模块

    LED路灯的恒流模块

    繁华的城市离不开LED灯的装饰,相信大家都见过LED,它的身影已经出现在了我们的生活的各个地方,也照亮着我们的生活。太阳能LED路灯的最大特点就是它通常是由蓄电池供电的,而蓄电池有一些特点是需要考虑的: 1、电池只有几种规定的电压,12V是最常使用的,因为它是汽车电池的标准电压。24V就需要用两个串联。36V就更少见了。为此,在太阳能LED路灯中经常需要采用升压型的恒流驱动模块。这就影响了恒流模块的效率。2、太阳能路灯中另一个需要考虑的问题是输入电压的变化。 对于恒流源的输出功率和效率来说,要得到最高的效率就要保持输入和输出电压的比值越接近1越好。但是如果输入电压不稳。那么就很难保持在最高效率的最佳状态。太阳能LED路灯系统通常采用蓄电池作为能量储存单元。而蓄电池在刚充满电和快放完电的时候电压会有较大的变化。通常这种变化超过30%以上。例如对于12V的蓄电池,其输出电压可以在14.8V变化到10.8V。当然对于恒流模块来说,这样的变化是完全可以承受的。也就是完全可以在这样大的变化范围内保持其输出电流的恒定。但是这也是有代价的,那就是不能工作于最佳状态。所谓最佳状态就是指效率最高的状态。或是输出功率最高的状态。 对于恒流模块来说,不管是升压型还是降压型,只有当输出电压最接近输入电压的时候,效率最高。通常输出电压是由负载决定的,是很少变化的。所以当输入电压在一个范围内变化时,它的效率也跟着变化。为了保证在最坏情况下也能工作,就不能工作在最佳状态了!对于SLM2842S升压型恒流模块,假如输出功率为27瓦,那么升压比越接近1,效率就越高!芯片的温升就越低!寿命和可靠性也就越高(见图1)。     图1. SLM2842S在输出功率为27.5W时,芯片表面温度和升压比的关系 从图中可以看出,芯片封装也是很重要的,采用QFN的芯片封装显然好于采用TSSOP的芯片封装,因为它的热阻要低很多。所以在购买模块时也要了解所采用芯片的封装(尽可能采用QFN封装的,尽量不要采用TSSOP封装的)。 除了要考虑外壳温度以外,还要考虑最大输入电流。因为SLM2842的最大输入电流为3A。在计算最大输入电流时,要考虑恒流模块本身的效率。现在假定是90%,同时假定输出功率是32W,除以0.9就是35.5W,而当输入电压为14.8V时,输入电流为2.4A,没有超出允许的3A;可是当蓄电池电压降低至10.8V时,输入电流就达到3.28A,这就超出了3A,芯片就会自动停止工作。所以假如不考虑蓄电池的电压变化是很危险的设计! 那么是不是可以采用2个蓄电池串联呢?在这里也是不行的,因为这样的话,输入电压刚好和输出电压相同,都是在24V左右。这时候就必须采用升降压型的SLM2842SJ。 升降压型的恒流模块的特点是不论输入电压如何变化,使得其低于或高于输出电压时,其输出电流都不变。也就是说它可以自动地根据输入电压和输出电压之间的关系自动地从升压变为降压。例如,升降压恒流模块SLM2842SJ可以在输出电流为1A,输出电压为13V时,输入电压从7.5V一直升至25V都能保持输出电流为恒定的1A。那么是不是所有情况下都尽可能采用升降压型呢?不是这样的,因为升降压型的输出功率比较小,而且它的效率低,价钱贵,不是必要情况下尽量少用。 那能不能用三个蓄电池串联,而采用降压型的恒流模块呢?理论上是可以的,这时候还可以得到更高的效率,但是因为三个蓄电池串联有可能会用了过大的容量(安时),而且增加了成本,增加了维护时更换蓄电池的几率。总体上是不合算的。 所以对于太阳能LED路灯的设计,可以归纳如下:     如上所述,3个蓄电池串联是不建议使用的,所以假如总功率大于60W,那时候太阳能电池板的尺寸也会过大而抗风力降低,所以建议采用可调光控制器,以尽量减少亮灯时间和亮度。这样可以节约大约40-50%的容量。这样,仍然可以采用2个12V蓄电池串联的方案。 市电LED路灯 在市电的情况下最好先用恒压电源稳压然后再采用多个恒流模块恒流。这样做的最大好处就是可以在各种不同的LED连接架构下得到最高的效率。因为可以任意选择恒压源的输出电压而达到最佳的匹配。而且灵活性高,很容易改变其组合。 市电的恒压源是一种非常成熟的产品,它通常具有如下的优点: 1. 输入电压范围宽,可以适用于各国不同的电压规格。2. 效率高,通常可以做到90%以上。3. 功率因素高,通常可以做到0.99以上4. 具有防浪涌措施,可抗雷击4kv以上,可以保护后面的电路。5. 具备完善的过流,过压,短路,过功率保护功能6. 成本低7. 最大的优点是很容易选择其输出电压以便和负载电压接近从而得到最高的效率 下面就来举一个例子: 这是一个LED功率为112W的路灯,LED模块分为4组,每组为7串4并,28W。我们采用了香港炜达电子公司的150W,输出28V的市电稳压电源VP28SA150U,其总体框图如图2所示:     图2. 市电LED路灯的通用结构 因为负载是7串4并。其电压为23-24V左右,所以选用了输出为28V的开关电源,这样就可以采用降压型的恒流源。而且因为其输出电压十分接近输入电压,从而可以实现很高的效率。实测的结果为从输入到输出的总效率为90.9%,功率因素为0.996。 这种恒压和恒流分开的方案的最大优点是可以插入程序调光系统。这样可以进一步节约电能40%以上,这是任何直接恒流输出方案所无法实现的。而且这种方案又可以配合各种不同的LED连接架构。例如假定LED为10串3并。那么只要把上面图中的稳压源的输出改为36V,其他一切都不变就可以了。这时恒流源本身的效率可以高达98%。在科技高度发展的今天,电子产品的更新换代越来越快,LED灯的技术也在不断发展,为我们的城市装饰得五颜六色。

    时间:2019-10-17 关键词: 芯片封装 恒流源 电源技术解析 输入电压

  • LED照明驱动电路技术

    LED照明驱动电路技术

    现在大街上随处可见的LED显示屏,还有装饰用的LED彩灯以及LED车灯,处处可见LED灯的身影,LED已经融入到生活中的每一个角落。LED时代来临后,我们在生活的各个方面都看得见它的身影,无论是汽车领域、智能领域亦或是工业领域,因其具有高效、节能、寿命长、环保等特点,已成为现今照明技术的可选方案,并逐渐被应用于照明。 促使人们关注LED照明技术的一个关键因素是,其大大降低了能源的消耗,并可实现长期可靠的工作。今天我们就从一个实用的LED电路给大家延伸性的介绍LED照明驱动电路。本文先从采用恒流源的电路开始,本电路中的主要元件三极管,要求其耐压要400V以上,功率也要10W以上的大功率管,如MJE13003、MJE13005等,并且要加上散热片,滤波电容C容量为4.7uF,耐压要有400V以上,发光管电流的大小由R2调整决定,为方便调整可用可变电阻调整后再换上相同阻值的固定电阻,本电路可带发光管数量少则十几只,最多可达到90多只,虽然增加了一些成本,但使用效果要比只用电阻限流的电路好得多,即使电压波动较大,电路仍然能保持电流恒定不变,这对发光管的寿命是非常有利的,在此范围内的电流都能基本保持恒定不变。本电路使用发光管数量也不可太少,越少其效率也越低。本电路总耗电功率约6W。     恒流源的电路 在这里顺便给大家讲讲LED采用并联接法好还是采用串联接法好? LED采用并或串联接法,主要应该根据电源盒电路的形式及要求决定。 采用串联接法的电路,当其中一只LED断路时整串的LED都不亮;但当其中一只LED短路时其他LED都还能亮。采用并联接法的电路,当其中一只LED断路时其它的LED都还能亮;但当其中一只LED短路时则整个电路的电源将被短路,这样不仅其它的LED都不能正常工作,而且还有可能损坏电源。故相比之下还是串联接法的电路较有优势。 并联接法只需要在每个LED两端施加较低的电压,但需要利用镇流电阻或电流源来保证每个LED的亮度一致。如果流过每个LED的偏置电流大小不同,则它们的亮度也不同,从而导致整个光源亮度不均匀。然而,利用镇流电阻或电流源来保证LED的亮度一致将缩短电池的使用寿命。采用串联接法本质上可以很好保证流过每只LED电流的一致性,但要求电源电压要高。LED采用并联接法时,由于电路的总电流是各个LED电流之和,所以要求电源要能供给足够大的电流。 其实严格意义上并联或串联接法各有它们的优缺点。需要你在实用的予以考虑多方面因素。在实际运用中常采用串并联形成的LED阵列,这样可以克服或减小上述单个LED断路或短路造成整串LED不亮或对整个电路和电源的影响。所谓串并联就是先用少量LED串联再串镇流电阻组成一条支路,再将若干条支路并联组成“支路组”。此外,还能采用串并串形式,就是在已组成的“支路组”的基础上,再将若干“支路组”串联构成整个灯具电路,此种接法不仅缩小了一只LED故障时的影响面,而且将镇流电阻化整为零,将几只大功率电阻变成几十只小功率电阻,由集中安装变成分散安装,这样既利于电阻散热,又可以将灯具设计的更紧凑。 首先任何电路我们必须要考虑其电源驱动,通常驱动LED采用专用恒流源或者驱动芯片,容易受体积和成本等因素的限制,最经济实用的方法就是采用电容降压式电源。用它驱动小功率LED,具有不怕负载短路、电路简单等优点,而且一个电路能驱动1~70个小功率LED(但是,这种电源电路启动时的电流冲击,尤其是频繁启动,会给LED造成破坏。当然,采取适当的保护便可避免这种冲击,在这方面,可以采用安森美半导体的NUD4700LED分流保护解决方案。在LED正常工作时,泄漏电流仅为近100μA;而在遭遇瞬态或浪涌条件时,LED就会开路,这时NUD4700分流保护器所在的分流通道激活,所带来的压降仅为1.0V,将带给电路的影响尽可能地减小。这器件采用节省空间的小型封装,设计用于1WLED(额定电流为350mA@3V),如果散热处理恰当,也支持大于1A电流的操作。     电容降压式电源的典型电路 对驱动电路的检查,应该根据电路图仔细核对电路是否接错,特别注意检查整流桥(长脚的是正极输出,其对角是负极输出,另外两脚是交流输入)或整流二极管以及稳压二极管的极性是否正确(印有黑线或白线的一端是负极),还有检查晶体三极管或稳压集成电路的三个电极是否错接等。 C1为降压电容器(采用金属化聚丙烯电容),R1为C1提供放电回路。电容C1为整个电路提供恒定的工作电流。电容C2为电解电容,其耐压值取决于所串联的LED的个数(约为其总电压的1.5倍以上),它的主要作用是抑制通电瞬间引起的电压突变,从而降低电压冲击对LED寿命的影响。R4为电容C2的泄流电阻,其阻值应随着LED个数的增加适当增加。 由于电容降压电源是一种非隔离式电源,在通电瞬间会产生很大的电流,也就是所谓的浪涌电流。此外,由于外界环境的影响(如雷击)电网系统会侵入各种浪涌信号,有些浪涌会导致LED的损坏。所以,要提供热敏电阻保护,这个主要有负温度系数热敏电阻保护(NTC热敏电阻,NTC是NegativeTemperatureCoefficient的缩写)和正温度系数热敏电阻保护(PTC(PositiveTemperatureCoefficient))然后有瞬态电压抑制器保护((TransientVoltageSuppressor),简称TVS) 负温度系数意思是负的温度系数,泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件,限制浪涌电流的最简单有效的方法是在线路输入端串联一只NTC热敏电阻正温度系数电流通过PTC热敏电阻后引起温度升高,即发热体的温度上升,当超过居里点温度后,电阻增加,从而限制电流增加,于是电流的下降导致元件温度降低,电阻值的减小又使电路电流增加,元件温度又升高,周而复始。瞬态电压抑制器主要用于对电路元件进行快速过压保护。 当TVS管两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10-12s量级的速度将两极间的高阻抗变为很低的阻抗,吸收高能量的浪涌,将两极间的电压钳位于个预定值,保护电子线路中的元器件免受各种浪涌脉冲的冲击而损坏。现在的LED灯或许会有一些问题,但是我们相信随着科学技术的快速发展,在我们科研人员的努力下,这些问题终将呗解决,未来的LED一定是高效率,高质量的。

    时间:2019-10-12 关键词: 恒流源 电源技术解析 led照明 led时代

  • LED恒流源的检验

    LED恒流源的检验

    在科技高度发展的今天,电子产品的更新换代越来越快,LED灯的技术也在不断发展,为我们的城市装饰得五颜六色。LED电源的品质直接制约了LED产品的可靠性,因此,在LED产业链逐步完善的今日,LED驱动电源器作为LED产品高性能的保障,在LED产品中起到的作用不言而喻。 一、 测试LED恒流源的电子负载: 目前市场上传统的电子负载并不能完全满足LED恒流源的测试需求,会出现电压和电流不稳定的现象,这是由LED恒流源本身的特性所决定的,LED恒流源输出的电流波形通常存在较大的电流纹波。针对这样的特性,只有专业测试LED恒流源的电子负载,才能使测试结果更精确,保证产品的质量。 随着LED的广泛应用,目前也有一些厂家逐渐推出了专业测试LED的电子负载。其中最值得一提的是艾德克斯IT8800可编程高精度电子负载系列,该系列具有专业测试LED恒流源的CR-LED功能,其独特的LED模式可供LED电源测试,应用于仿真的LED电流,号称LED测试专家。下文将仔细分析LED恒流源的特性并详细介绍CR-LED的工作原理。 二、 LED恒流源的特性: 我们通常所说的LED恒流源输出波形通常存在较大的电流纹波。正是因为纹波的存在,使得传统电子负载的CR模式并不能真实模拟LED驱动带载的特性,会出现测试电压或者电流不停抖动的情况。 以下是LED驱动的带载电路图:     如上图可见:如果用CV模式来测试,那么拉载的电压就被恒定了,与恒流源真实的电压输出波形不符合。所以测试恒流源时多选择CR模式,但在工作中会发现,传统的CR模式会存在测试波形不符合实际情况,甚至电压和电流值不停跳变的现象。下面是我分析的传统的CR模式测试存在的问题与原因。 三、 传统的CR模式测试存在的问题与原因: LED只能往一个方向导通(通电),叫做正向偏置(正向偏压),当电流流过时,电子与空穴在其内重合而发出单色光,这叫电致发光效应。 假设LED驱动此时输出的电流值I0为100mA,R=10Ω,二极管导通电压Vd=30V,那么实际的LED灯拉载时,LED驱动的输出电压U0=100mA*10Ω+30V=31V,输出为31V/100mA。假设恒流源的输出电流纹波为10mA, LED驱动的输出电压纹波实为10mA*10Ω=0.1V。 用传统的CR模式测试,则模拟设定的CR值为31V/100mA=310Ω.同样恒流源的输出电流纹波为10mA,恒流源的输出电压纹波变为10mA*310Ω=3.1V,电压波动很高,无法正常工作。 四、 专业测试LED恒流源的电子负载的功能——CR-LED: 艾德克斯IT8800系列的电子负载在传统的CR模式下,增加了二极管导通电压的设置,使得加在电子负载两端的电压大于二极管的导通电压时,电子负载才工作,完全真实地模拟二极管工作的原理。操作上也简易方便,只需要在仪器内部设置二极管的导通电压值,同时设定拉载的CR值,则能够完全模拟LED灯的真实特性。 只有专业测试LED恒流源的电子负载,才能使测试结果更精确,保证产品的质量。相信在未来的科学技术更加发达的时候,LED会以更加多种类的方式为我们的生活带来更大的方便,这就需要我们的科研人员更加努力学习知识,这样才能为科技的发展贡献自己的力量。

    时间:2019-10-12 关键词: 恒流源 电源技术解析 LED电源 led产业链

  • 调光功能的实现

    调光功能的实现

    越来越多应用场合希望白光LED驱动器能够支持LED光亮度的调节。目前调光技术主要有两种:PWM调光、数字调光。PWM(脉宽调制)调光方式是一种利用宽、窄不同的数字式脉冲,反复开关白光LED驱动器来改变输出电流,从而调节白光LED的亮度。但需要一个专用PWM口,同时会产生人耳听得见的噪声。本设计采用一种新型的数字调光技术。相比PWM控制有明显的优点:将时序信号存储在内部的寄存器中,使数据寄存器输出一连串的控制信号,如果需要改变白光LED的亮度,则重新通过EN/SET对ROM进行修改即可,不需要一直给EN/SET连续的PWM信号来控制白光LED的亮度,这个特性大大减轻了微处理器的负担,也减少了噪声。 其工作原理如下,EN/SET的第一个上升沿脉冲开启IC并且初始化设置LED电流到最低的549 μA.当最终的时钟序列输入为想得到的亮度级别时,EN/SET引脚维持高电平来维持装置输出电流在程序设置的级别。当EN/SET引脚置低TOFF=480μs以后,装置关闭。整个调光模块可分为四大部分:延时控制,计数器,ROM,恒流源。 (1) ROM与恒流源 白光LED的亮度和通过它的电流成正比。本设计采用并联恒流源的方式,最大输出为20 mA,亮度分为32个等级。如图7所示。ROM总共为8块,组成32×8 bit容量。恒流源由PMOS管组成,由电荷泵输出的5 V电源供电,每个恒流源icell电流为19.6μA.恒流源具有使能端,根据ROM中的数据决定该恒流源是否有效,其中ROM输出“0”为该恒流源有效,“1”为该恒流源无效。     以第5级亮度为例,如图8所示,EN/SET端输入5个脉冲后保持高电平,经过减数计数器计数输出Q4~Q0数据为“11011”,ROM输出×7~×0数据为“11110100”,即×3,×1,×0所接恒流源有效。输出电流为: icell×32+icell×8+icell×4=0.863 mA 表1列出了32级调光×7~×0的数据及对应输出电流。   数字调光部分的仿真波形如图9所示,32个脉冲为一个循环。  

    时间:2019-07-24 关键词: 恒流源 rom 电源技术解析

  • 如何选择驱动电路

    如何选择驱动电路

    在现在的生活中LED等随处可见,它们的变换方式得益于有很好的驱动电源,降低了很大的能源消耗,今天我们就从一个实用的LED电路给大家延伸性的介绍LED照明驱动电路。 LED驱动器 本文先从采用恒流源的电路开始,本电路中的主要元件三极管,要求其耐压要400V以上,功率也要10W以上的大功率管,如MJE13003、MJE13005等,并且要加上散热片,滤波电容C容量为4.7uF,耐压要有400V以上,发光管电流的大小由R2调整决定,为方便调整可用可变电阻调整后再换上相同阻值的固定电阻,本电路可带发光管数量少则十几只,最多可达到90多只,虽然增加了一些成本,但使用效果要比只用电阻限流的电路好得多,即使电压波动较大,电路仍然能保持电流恒定不变,这对发光管的寿命是非常有利的,在此范围内的电流都能基本保持恒定不变。本电路使用发光管数量也不可太少,越少其效率也越低。本电路总耗电功率约6W。 恒流源的电路 在这里顺便给大家讲讲LED采用并联接法好还是采用串联接法好? LED采用并或串联接法,主要应该根据电源盒电路的形式及要求决定。 采用串联接法的电路,当其中一只LED断路时整串的LED都不亮;但当其中一只LED短路时其他LED都还能亮。采用并联接法的电路,当其中一只LED断路时其它的LED都还能亮;但当其中一只LED短路时则整个电路的电源将被短路,这样不仅其它的LED都不能正常工作,而且还有可能损坏电源。故相比之下还是串联接法的电路较有优势。 并联接法只需要在每个LED两端施加较低的电压,但需要利用镇流电阻或电流源来保证每个LED的亮度一致。如果流过每个LED的偏置电流大小不同,则它们的亮度也不同,从而导致整个光源亮度不均匀。然而,利用镇流电阻或电流源来保证LED的亮度一致将缩短电池的使用寿命。采用串联接法本质上可以很好保证流过每只LED电流的一致性,但要求电源电压要高。LED采用并联接法时,由于电路的总电流是各个LED电流之和,所以要求电源要能供给足够大的电流。 其实严格意义上并联或串联接法各有它们的优缺点。需要你在实用的予以考虑多方面因素。在实际运用中常采用串并联形成的LED阵列,这样可以克服或减小上述单个LED断路或短路造成整串LED不亮或对整个电路和电源的影响。所谓串并联就是先用少量LED串联再串镇流电阻组成一条支路,再将若干条支路并联组成“支路组”。此外,还能采用串并串形式,就是在已组成的“支路组”的基础上,再将若干“支路组”串联构成整个灯具电路,此种接法不仅缩小了一只LED故障时的影响面,而且将镇流电阻化整为零,将几只大功率电阻变成几十只小功率电阻,由集中安装变成分散安装,这样既利于电阻散热,又可以将灯具设计的更紧凑。 首先任何电路我们必须要考虑其电源驱动,通常驱动LED采用专用恒流源或者驱动芯片,容易受体积和成本等因素的限制,最经济实用的方法就是采用电容降压式电源。用它驱动小功率LED,具有不怕负载短路、电路简单等优点,而且一个电路能驱动1~70个小功率LED(但是,这种电源电路启动时的电流冲击,尤其是频繁启动,会给LED造成破坏。当然,采取适当的保护便可避免这种冲击,在这方面,可以采用安森美半导体的NUD4700 LED分流保护解决方案。在LED正常工作时,泄漏电流仅为近100 μA;而在遭遇瞬态或浪涌条件时,LED就会开路,这时NUD4700分流保护器所在的分流通道激活,所带来的压降仅为1.0 V,将带给电路的影响尽可能地减小。这器件采用节省空间的小型封装,设计用于1 W LED(额定电流为350 mA@ 3 V),如果散热处理恰当,也支持大于1 A电流的操作。 电容降压式电源的典型电路 对驱动电路的检查,应该根据电路图仔细核对电路是否接错,特别注意检查整流桥(长脚的是正极输出,其对角是负极输出,另外两脚是交流输入)或整流二极管以及稳压二极管的极性是否正确(印有黑线或白线的一端是负极),还有检查晶体三极管或稳压集成电路的三个电极是否错接等。 C1为降压电容器(采用金属化聚丙烯电容),R1为C1提供放电回路。电容C1为整个电路提供恒定的工作电流。电容C2为电解电容,其耐压值取决于所串联的LED的个数(约为其总电压的1.5倍以上),它的主要作用是抑制通电瞬间引起的电压突变,从而降低电压冲击对LED寿命的影响。R4为电容C2的泄流电阻,其阻值应随着LED个数的增加适当增加。 由于电容降压电源是一种非隔离式电源,在通电瞬间会产生很大的电流,也就是所谓的浪涌电流。此外,由于外界环境的影响(如雷击) 电网系统会侵入各种浪涌信号,有些浪涌会导致LED的损坏。所以,要提供热敏电阻保护,这个主要有负温度系数热敏电阻保护(NTC热敏电阻,NTC是Negative Temperature Coefficient的缩写)和正温度系数热敏电阻保护(PTC(Positive Temperature Coefficient))然后有瞬态电压抑制器保护((Transient Voltage Suppressor),简称TVS) 负温度系数意思是负的温度系数,泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件,限制浪涌电流的最简单有效的方法是在线路输入端串联一只NTC热敏电阻 正温度系数电流通过PTC热敏电阻后引起温度升高,即发热体的温度上升,当超过居里点温度后,电阻增加,从而限制电流增加,于是电流的下降导致元件温度降低,电阻值的减小又使电路电流增加,元件温度又升高,周而复始。 使用过的人都知道,瞬态电压抑制器主要用于对电路元件进行快速过压保护。当TVS管两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10-12s量级的速度将两极间的高阻抗变为很低的阻抗,消耗掉很大的能量冲击,保护了电路的电子元器件。

    时间:2019-07-22 关键词: 恒流源 并联 电源技术解析 串联

  • 基于C8051FF330D单片机的程控恒流源设计

    基于C8051FF330D单片机的程控恒流源设计

    摘要: 给出了用C8051FF330D的内部电流型D/A转换器和电流/电压转换电路来输出0~4V的模拟信号量, 用于控制恒流源输出电流, 并使其按设定的值进行变化, 从而完成可编程恒流源控制器的设计方法。利用该方法设计的程控恒流源具有电流纹波小、控制精度高和运行稳定等特点。  0 引言  在飞速发展的电子和电信技术系统中, 电源的优劣在一定程度上决定着电信设备的性能和寿命。因此, 人们对程控恒流器件的需求也日益迫切。虽然目前市场上的数控恒压技术已经比较成熟, 数控电压源产品也已朝着智能化和小型化的趋势发展, 且价格也越来越便宜。但是, 在恒流源方面, 尤其是数字控制的恒流技术则由于起步较晚, 高性能的数控恒流器件的开发和应用存在着巨大的发展空间。为此, 本文以C8051FF330D单片机为控制核心, 并利用C8051FF330D的I2C串行总线扩展外围器件, 同时以模块化设计方法,设计了一种程控恒流源。而且整个电源还具有功耗低、体积小, 电流纹波小、控制精度高和运行稳定等特点。  1 系统总体结构  该程控恒流源设计主要采用C8051FF330D单片机内部的10位电流型数模转换器和电流/电压转换电路来输出0~4 V的模拟量, 然后用这个电压信号来控制恒流源的输出电流, 以使其按照给定值变化。由于本系统扩展了I2C串行总线接口,以及以ZLG7290为核心的键盘和LED数码管显示器电路, 因而可用键盘进行电流值和时间间隔的设定, 其电流值设定范围为0~10 A, 时间间隔为0~10小时。另外, 系统还具有掉电保护功能, 故当其恢复用电后, 可使电流源从断点处恢复运行。  图1所示是本系统的硬件组成结构。其中,时钟电路采用外部晶体振荡器来提高时钟精度,JTAG接口电路则为系统提供全速、非侵入式的在线系统调试接口, 而外部复位电路可用于强制MCU进入复位状态。图1 系统硬件组成结构图  2 硬件电路设计  2.1 模拟量输出接口电路  C8051F330D内部有一个10位电流型的D/A转换器IDA0, 它的最大输出电流具有0.5 mA、1 mA和2 mA三种不同的设置。同时, IDA0还具有灵活的输出更新机制, 并允许无缝满度变化, 可支持无抖动波形更新。IDA0的三种更新方式分别为写IDA0H、定时器溢出和外部引脚边沿出发。本设计采用P1.0输出, 并采用定时器溢出的更新方式。  C8051F330D内部电路中的数模转换器输出的0~1 mA电流信号通过基准电阻转换为0~2 V的电压信号后, 再经过放大电路转换为0~4 V的标准信号输出。其模拟量输出信号转换电路如图2所示。图2 模拟量输出信号转换电路  2.2 掉电保护电路  在电信和其他通信系统中, 如果设备断电,将给系统造成巨大损失, 甚至可能使系统瘫痪。  为了避免系统掉电情况的发生, 本设计采用FM24CL04作为非易失存储器来保护系统参数及其它中间数据。与EEPROM不同, FM24CL04可以以总线速度进行写操作, 它使用的是工业标准两线I2C接口, 图3所示是本电源系统附带的掉电数据保护电路。图3 掉电数据保护电路  由于FM24CL04存储器的写入速度极快, 因此, 在一个高噪声的通信环境中, 它受到干扰的可能性很小。此外, FM24CL04使用二线制串行总线及握手协议来进行双向传输, 由于这种方式占用的引脚少, 因此, 系统线路板占用的空间也比较小。  2.3 键盘及显示电路  本系统配置有4位键盘和8位LED数码管显示电路, 以用于显示编程数据和参数。键盘显示器接口电路采用广州周立功单片机发展有限公司的专用芯片ZLG7290B数码管显示驱动和键盘管理芯片。该芯片能够直接驱动8位共阴式数码管或者64位独立的LED, 同时, 也可以扫描和管理64位按键。本电路将ZLG7290B通过I2C总线与单片机进行连接, 仅需要两根信号线即可传递数据。  同时, 采用ZLG7290B专用芯片还可以简化电路和程序, 减轻电路的调试负担。而且, 作为工业级显示驱动芯片, ZLG7290B也具有较强的抗干扰能力。图4 所示是由C8051F330D 单片机和ZLG7290B专用显示驱动芯片组成的键盘及显示驱动电路原理图。图4 键盘显示驱动电路  一般情况下, 在设计时, 为了使电源更加稳定, 可在图4电路的VCC和GND之间接入电解电容。由于电路中的数码管在工作时要消耗较大的电流, 因此, 其限流电阻的典型值可取的更大一些。另外, 由于数码管扫描和键盘扫描线共用,因此, 本电路采用二极管来防止按键对数码管显示的干扰。  3 软件设计  3.1 主程序设计  本系统采用C语言来进行软件设计, 以实现系统的各项功能。系统应用程序采用模块化结构设计, 主要包括主程序、参数调用修改子程序、DAC0初始化程序等。图5所示是其主程序流程图。图5 主程序流程图  3.2 模块函数程序设计  模块函数程序主要是为结构化模块设计定义一些函数, 如各定时器的初始化函数、SMBUS初始化及处理函数、DAC0的初始化和处理函数,另外, 也包括往铁电存储器中写入字节的函数和从目标地址读取数据等函数。其中DAC0的初始化程序代码如下:  Void DAC_Init (void)  {  REF0CN =0X30; /*内部偏压发生器和电压基准缓冲器工作, 基准从VREF脚输出*、  ID0CB =0XF2;  }  存储器写入函数如下:  Viod EEPROM_ByteWrite ( uchar i2caddr,uchar addr, uchar dat )  {  While (smb_busy)  Smb_busy = 1;  Target = i2caddr;  Smb_w =write;  Smb_sendwordaddr = 1;  Smb_randomread = 0;  Smb_ackpoll =1;  Word_addr = addr;  Smb_singlebyte_out = dat;  Psmb_data_out =&smb_singlebyte_out;  Smb_data_len =1;  Sta = 1;  }  ……  4 结束语  本文给出了用C8051FF330D的内部电流型D/A转换器和电流/电压转换电路来设计可编程恒流源控制器的设计方法。由于C8051F330D单片机的运算速度比普通单片机要快, 而且功耗比较低, 同时内置有DAC和ADC, 由此可在电子产品开发过程中减小产品体积, 降低硬件连线的复杂程度。实验证明, 本设计的程控电流源具有输出电流稳定准确等特点, 而且电流随负载和环境温度变化小, 输出电流误差范围为±5 mA, 同时其输出电流也较大, 是一款价格低廉, 性能稳定,操作简单的实用性通信电流源。

    时间:2019-03-25 关键词: 单片机 恒流源 嵌入式处理器 c8051ff330d

  • 什么是电子恒流源

    什么是电子恒流源

    爱好电子技术的朋友可能在翻阅一些电子书刊时常看到“恒流源这个名词,那么什么是恒流源呢?顾名思义恒流源就是一个能输出恒定电流的电源。图5中的r是电源E的内阻,RL为负载电阻,根据欧姆定律:流过RL的电流为I=E/r+R如果r很大如500K,那么此时RL在1K---10K变化时,I将基本不变(只有微小的变化)因为RL相对于r来说太微不足道了,此时我们可以认为E是一个恒流源。为此我们推论出:恒流源是一个电源内阻非常大的电源。 在电子电路中(如晶体管放大器电路)我们常需要一些电压增益较大的放大器,为此常要将晶体管集电极的负载电阻设计得尽量大,但此电阻太大将容易使晶体管进入饱和状态,此时我们可利用晶体三极管来代替这个大电阻,这样一来既可得到大的电阻,同时直流压降并不大,图6所示。 图中稳压管D和电阻R2组成的稳压电路用来偏置BG1的工作点,并保证工作点的稳定(BG2为放大管)。从晶体管的输出特性可知,集电极---发射极电压 VEC大于1---2V时,特性曲线几乎是平的,即VEC变化时,IC基本不变,也就是说,晶体管BG1的输出电阻非常大(几百千欧以上),图中由于 BG1的电流基本恒定,所以称BG1是BG2的恒流负载。由于具有恒流源负载的放大器因其负载电阻大,故这种放大电路具有极大的电压增益,实际上在很多集成电路内部均采用这种电路。

    时间:2018-12-05 关键词: 恒流源 电源技术解析

  • 基于FPGA的DDS励磁恒流源设计

    目前励磁电源信号发生部分通常采用直接频率合成技术,主要功能电路由压控振荡器(VCO)、倍频器、分频器、混频器和滤波器等构成,整个系统采用开环控制,即输入设定值→频率合成→功率放大→输出励磁电流。这种结构给励磁电源带来以下不足:(1)由于采用外部压控振荡器,励磁信号的频率范围受到限制,一般约为50 kHz。(2)系统使用开环控制,系统精度依赖于各组件的精度和稳定性,使得励磁电流的幅度精度和稳定性较差,仪器抗干扰性不强。(3)采用直接频率合成技术,系统中有大量模拟电路,导致系统体积大、重量大、耗电高、可靠性差。 随着信息技术的发展,磁性材料广泛运用于通信、电力、信息、交通等领域中。磁滞回线是磁性材料中重要的磁性参数之一,是铁磁材料的本质特征。通常运用于与磁性材料有关的计算和研究中,对工业生产和科学研究具有重要的指导意义。  文中提出一种基于FPGA的DDS信号发生器。信号发生电路采用直接数字频率合成技术,即DDS(Direct Digital Frequency Synth-esis)。它是以全数字技术,从相位概念出发,直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。是将先进的数字处理技术和方法引入信号合成领域,把一系列数字量形式的信号通过数/模转换器转换成模拟信号,在时域中进行频率合成。直接数字频率合成器的主要优点是:输出信号频率相对带宽较宽;频率分辨力好、转换时间快;频率变化时相位保持连续;集成度高,体积小,控制方便等。整个信号源系统采用数字闭环控制,通过对励磁电流瞬时值经PID闭环控制,使得励磁电流可瞬时跟踪给定幅值,加快系统动态响应,提高非线性负载适应力,其较传统的信号源能更好地满足磁性测试设备的需求。  1 DDS的工作原理  DDS的工作原理如图1所示。主要有以下基本部件:相位累加器;相位-幅度变换器,即正弦查表ROM;D/A转换器和适当的滤波器等滤波器。相位累加器是DDS系统的核心是相位累加器,它由一个加法器和一个相位寄存器组成,相位累加器在参考时钟的作用下,按频率控制字为步长不断累积,累加结果产生递增的传递给正弦查表ROM。正弦查询表中存储了一个周期正弦波在各相位点对应数字幅度信息。由于相位累加器的输出连接在波形存储器(ROM)的地址线上,因此其输出的改变就相当于进行查表。这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值经查找表查出,然后送至D/A转换器,经D/A转换器产生一系列以时钟脉冲为抽样速率的电压阶跃。滤波器则进一步平滑D/A转换器输出的近似正弦波的锯齿阶梯波,同时衰减不必要的杂散信号,使输出为要求的光滑波形。  由于相位累加器字长的限制,相位累加器累加到一定值后,其输出将会溢出,这样波形存储器的地址就会循环一次,即意味着输出波形循环一周。故当频率字取不同值,就可以改变相位累加器的溢出时间,从而在时钟频率不变的条件下改变输出频率。  设频率控制字为K,系统参考时钟为fc,相位累加器位数为N,输出频率为fo,则可以得到输入与输出的关系为    当K=1时,可以得到DDS的频率分辨率    2 励磁恒流源的硬件设计  励磁信号发生器电路系统主要由基于FPGA的DDS电路、MCU控制电路、DAC电路、低通滤波器(LPF)、人机接口、系统时钟和系统电源构成。系统框图,如图2所示。  2.1 基于FPGA的DDS电路  2.1.1 相位累加器  对于利用FPGA设计DDS信号源,相位累加器是决定DDS电路性能的一个关键部分。相位累加器是由N位累加器和N位寄存器级联构成,每来一个时钟脉冲,相位寄存器采样上个时钟周期内相位累加器的值与频率控制字K之和,并作为相位累加器在这一时钟周期的输出。由式(2)可知,相位累加器的位数N越大,得到的频率分辨率越小,但在较高的工作频率下,会产生较大的延时不能满足速度的要求。在时序电路中,通常采用流水线技术来提高速度,代价是增加寄存器的数量,多占了FPGA的资料。综合考虑,采用32位累加器,四级流水线结构。  2.1.2 相位-幅度变换器  相位-幅度变换器是由ROM构成,它把相位累加器的输出的数字相位信息变换成正弦波值。在FPGA中,ROM一般是由EAB来实现,并且ROM表的尺寸与地址位数或数据位数成指数增加的关系,因此相位-幅度转换器的设计是影响DDS性能的另一个关键,在满足信号设计指标要求的前提下,主要在于减少资源开销。考虑到本设计只需要输出正弦信号,正弦波信号关于点(π,0)奇对称,只需存储1/2周期的波形数据,又根据在左半周期内,波形关于直线x=π/2成偶对称,因此只需要存储1/4周期的正弦函数值,就可以通过适当的变换得到整个正弦码表,这样可以节约3/4的资源。关键字:DDS 励磁恒流源 2. 2 低通滤波模块  DDS有一个明显的缺点,即输出频率越接近Nyquist带宽的高端,采样点数越少,其输出的杂散干扰就越大。输出波形具有大量的谐波分量和系统时钟干扰。为得到所需频段内的信号,需要在DDS输出端加一滤波器来实现,而低通滤波器能较好地滤除杂波,平滑信号,所以低通滤波器的设计尤为重要,滤波特性的优劣对输出信号的性能起重要的影响。  为取得较好的滤波效果,滤波器采用了由四选一模拟开关和精密运算放大器分段滤波的方式:采用巴特沃斯有源低通滤波器,该滤波器通带内幅度很平坦,滤波电路为二阶巴特沃斯低通滤波电路,滤波器频段参数的选择由FPGA输出的控制信号nINH,S0,S1控制模拟开关的选通实现。  2.3 幅度控制  本设计幅度控制电路采用调节DAC参考电压的数字化控制方法,采用两个D/A级联的方式,数模转换器DAC2采用外部可变基准源,通过改变基准源的值来改变输出的满幅度电流值,该可变基准源通过DAC1产生。DAC1的基准电压采用输出电压为1.25 V精密电压基准芯片提供,设DAC1的幅度输出字为N1,则DAC1的参考电压为    设DAC2的数字输入字为N2,则经电流/电压转换后的输出电压为    2.4 人机交互  为方便快捷地控制DDS的频率字输入和幅度控制,本设计采用单片机来实现对DDS信号发生器的控制。DDS的频率字和幅度数据字位较多,而单片机输出端口位数有限,所以单片机与FPGA之间的通信采用SPI(Serial Peripheral Interface,串行外设接口)方式,单片机将控制命令字传送给FPGA。同时,为了输入控制方便,添加了键盘和显示系统。  3 数字闭环控制系统的实现  设计的励磁恒流源主要为磁性测量仪器提供激励电源,因而对其精度和稳定性要求高,采用电流控制型的控制策略进行闭环控制,结构框图如图3所示。励磁电流幅度调整时,首先对励磁电流进行多周期采样,然后计算其有效值,并与输入设定值相比较,若误差ε在允许范围之外,则根据误差的实际情况,通过单片机内增量式PID算法得出了一个新的控制量,传送给FPGA控制幅度调节经低通滤波器滤去高频成分,再经功率放大,得到高精度的励磁电流。  4 系统仿真与验证分析  在Altera公司的QuartusⅡ环境下编译完成,采用自上而下的设计方法,即先从系统总体要求出发将设计内容细化,最后完成系统硬件的整体设计。完成DDS设计后,通过编写Testbench在Modelsim进行仿真。在QuartusⅡ中,设定输出信号频率为1 MHz,经过50 μs后改变为500 kHz进行仿真,其仿真结果如图4所示。在Modelsim中生成的仿真数据经验证完全正确,满足设计需求。  在对励磁信号源做硬件系统测试时,首先完成系统硬件连接,并加载程序,设定输出信号频率为1 MHz,示波器测得实际输出波形如图5所示。在Modelsim环境下仿真和在硬件平台上测试,结果表明励磁信号源可获得较好的设置波形,可以应用于磁性材料的测试中。  5 结束语  运用Verilog硬件编程语言结合DDS技术,利用FPGA器件强大的硬件功能,提高了系统集成度,实现了输出信号相对带宽宽、稳定性好;其相位累加器在一定系统时钟和累加器位宽条件,输出信号分辨率越小,频率控制字的传输时间以及器件响应时间都很短,使输出信号频率切换时间较短,可以达到ns级,且频率变化时,相位保持连续,系统采用闭环控制,励磁电流输出精度高,调节速度快。对磁性材料测量仪所要求的励磁信号源而言,本设计不但满足所有技术指标,而且集成度高、体积小、显著地降低了成本。

    时间:2018-10-08 关键词: FPGA 恒流源 励磁 dds

  • 三线制恒流源驱动电路设计

    三线制恒流源驱动电路设计

    恒流源驱动电路负责驱动温度传感器Pt1000,将其感知的随温度变化的电阻信号转换成可测量的电压信号。本系统中,所需恒流源要具有输出电流恒定,温度稳定性好,输出电阻很大,输出电流小于0.5 mA(Pt1000无自热效应的上限),负载一端接地,输出电流极性可改变等特点。由于温度对集成运放参数影响不如对晶体管或场效应管参数影响显著,由集成运放构成的恒流源具有稳定性更好、恒流性能更高的优点。尤其在负载一端需要接地的场合,获得了广泛应用。所以采用图2所示的双运放恒流源。其中放大器UA1构成加法器,UA2构成跟随器,UA1、UA2均选用低噪声、低失调、高开环增益双极性运算放大器OP07。设图2中参考电阻Rref上下两端的电位分别Va和Vb,Va即为同相加法器UA1的输出,当取电阻R1=R2,R3=R4时,则Va=VREFx+Vb,故恒流源的输出电流就为:由此可见该双运放恒流源具有以下显著特点:1)负载可接地;2)当运放为双电源供电时,输出电流为双极性;3)恒定电流大小通过改变输入参考基准VREF或调整参考电阻Rref0的大小来实现,很容易得到稳定的小电流和补偿校准。由于电阻的失配,参考电阻Rref0的两端电压将会受到其驱动负载的端电压Vb的影响。同时由于是恒流源,Vb肯定会随负载的变化而变化,从而就会影响恒流源的稳定性。显然这对高精度的恒流源是不能接受的。所以R1,R2,R3,R4这4个电阻的选取原则是失配要尽量的小,且每对电阻的失配大小方向要一致。实际中,可以对大量同一批次的精密电阻进行筛选,选出其中阻值接近的4个电阻。

    时间:2018-09-25 关键词: 恒流源 电源技术解析 驱动电路 三线制

  • 基于C8051F500的数控恒流源设计

    基于C8051F500的数控恒流源设计

    引言放射法测井是测井方法的重要组成部分,相对于r射线,X射线具有获得容易、辐射可控、环保等优点而得到广泛应用X射线管的灯丝经过大电流(0~2A)的加热产生大量的自由电子,自由电子在高压电源的强电场作用下加速,加速后的高速自由电子轰击阳极靶材,产生X射线X射线管的灯丝供电电流能够调节射线的强度若使用电压源供电,由于灯丝电阻会随着通电时间增加而发热,导致灯丝电阻并不是一个恒定值,灯丝电阻的波动会引起电流的波动,进而影响X射线机发出的射线强度的稳定性X射线具有较强的辐射能力,长期照射对人体组织伤害很大,昕以应避免操作人员近距离操作基于以上问题,本文设计并研制了一种硬件电路1、硬件系统框图硬件系统如图l所示,整个系统包含单片机、按键、液晶显示、D/A转换器、A/D转换器、485通信接口及由开关电源构成恒流电路,本系统单片机选用SiliconLab公司的处理器芯片C8051F500,该芯片为8位51内核结构,主频可达50MHz,片内集成12位逐次比较型A/D转换器,最高采样率可达200KPS,且片内自动提供参考电压外部有48个引脚,一个UART、一个通用SPI、一个CAN总线等丰富的通信接口。片内集成多达64KFLASHROM空间,可存储较为复杂的代码,并有4KXRAM,无需再外部扩展RAM。2、系统各模块设计实现2.1、Buck型开关电源及其反馈电路设计Buck型变换器又称为降压变换器,结构如图2所示Udo是稳定的直流电源,VT为开关管,VD1为续流二极管,L1为储能电感,电容C1、C2滤除纹波并且储能反馈回路由电流采样电阻Rl、运放OP07、片内A/D转换器和DAC0800构成,单片机为控制核心,D/A转换器为PWM控制器提供参考电压Ur。当开关管VT导通时,电压U.与输入电压Uout相等,二极管VD.处于反向截止状态,电流IVD,为零电流IVT=ILI,流经电感Ll,电流线性增加当PWM波电平改变,开关管截止时,电感L.为了保持其电流IL1不会突变,电感L.中的磁场将改变其两端的电压极性,这时二极管VD1承受正向偏压,并有电流IVD,流过,二极管VD.使电感L两端的电流IL1保持连续变化,因此VD1为续流二极管当时ILl《lout,电容Cl、C2处于放电:l犬态;当ILl》lout电容Cl、C2处于充电状态电容Cl、C2有利于输出电流Iout,和输出电压Uout保持恒定开关电源的开关频率取决于PWM控制器Sg3525的振荡频率在输出端,输出电流Iout流经电阻R1,R1两端产生压降,对电阻Rl两端电压进行采样,经运算放大器放大后送入单片机内部A/D,根据运算放大器理论可知:Usamp=RlIout(l+R3/R2)根据上式可得:Iout=Usamp/(R1+RIR3/R2)使用C8051F500内部自带A/D转换器,采样得到数据反映着电源输出的电流值每次采样结束启动采样中断,通过中断函数计算采样电流IOLit,将预设的电流值Iset与采样得到的电流值I进行比较,根据误差大小调整参考电压Uref,经D/A转换器DAC0800将参考电压传给PWM控制器Sg3525,进而改变PWM波的占空比便可调节开关管VT的导通时间,调节输出电压U,U与占空比D的关系如式:Um=DUdo2.2、按键和液晶显示接口电路设计系统设计了按键输入和液晶显示功能,与单片机接口如图4所示四个按键分别接四个4.7K的上拉电阻R1~R4,当有按键按下时,单片机对应的检测端口检测到低电平,当无按键按下时为高电平在整1、程序执行过程中,若采用查询方式检测按键,会占用较大的CPU资源,固本计采用中断和查询相结合的方式,通过在程序中使用无条件转移指令和死循环相结合来实现。2.3、通信接口电路设计RS485是异步串行通信接口,它的优点是比RS232拥有更高的传输速度和更远的传输距离,最远可达1200米。本文设计数控恒流源为了更好保护操作人员免受X射线伤害,操作人员需要远离现场,故选择了RS485通信接口进行远程控制。LTC485M与单片机的接口如图6所示,于采用半双工通信,RE_A引脚用于控制单片机处于发送数据状态(高电平)或者接收数据状态(低电平)。A、B两引脚用于将要发送UART的信号翻译成485差分信号,或者将接收到的差分信号翻译成UART信号。2.4、系统设计实现本系统中C8051F500单片机的开发软件使用KEIL开发工具,用C语言编程方便、简单,程序可读性好。程序通过JTAG调试接口可以对程序在线调试、下载。程序的硬件电路板如图7所示。3、总结本系统结合X射线发射条件的原理,根据X射线管灯丝所需电流要求,设计控制范围为0—2A的数控恒流源。由于核心功能电路部分使用开关电源实现,前期所提供的直流电压的稳定性对后续恒流源精度影响较大、对于采样电阻Rs要求电阻功率大、阻值小、温漂小,才能保证反馈的精度。经试验使用RS485通信接口控制恒流源的控制距离至少30m,可以使操作人员在远离射线源的情况下远程控制。

    时间:2018-09-20 关键词: 恒流源 电源技术解析 数控

  • 单片机的恒流源技术研究

    单片机的恒流源技术研究

    直流恒流源的输出电流,是相对稳定而非绝对不变的,它只是变化很小,小到可以在允许的范围之内。产生变化的原因是多方面的,主要有以下几个因素:(1)电网输入电压不稳定所致 电网供电有高峰期和低谷期,不可能始终稳定如初。(2) 由负载变化形成的 比如负载短路,负载电流会很大,电源的输出电压会趋于接近于零,时间一长还会烧坏电源。(3)由稳定电源本身条件促成的 构成稳定电源的元器件质量不好,参数有变化或完全失效时,就不可能有效地调节前两种原因引起的波动。(4)元器件因受温度、湿度等环境影响而改变性能也会影响稳定电源的输出不稳。恒流源设计中主要针对以上第3 和第4 个因素设计了基于数字控制的直流恒流源,可以提高恒流源输出电流的稳定性。1 数字控制直流电流源系统工作原理 本论文设计了基于单片机的数控恒流源,该系统由恒流源主电路和单片机最小系统组成,其中单片机最小系统主要由单片机控制单元、A/ D 和D/ A 转换模块以及负载及键盘显示模块组成,系统结构框图如图1所示。单片机控制系统以单片机AT89S52 为核心[1] ,高精度12 bit A/ D 芯片AD1674 实现采样输入,12 bitD/ A 芯片DAC1230 产生控制输出,实现了输出电流的精确设定和检测,系统还设置了串口通讯功能。技术指标:输入电压180 V ~250 V/50 Hz,输出电流范围为20 ~2 000 mA,具有" +"、" -"步进调整功能,步进<=10 mA;输出电流最大偏差小于1 mA,纹波电流小于0. 05 mA.数控直流电流源系统框图如图1 所示。图1 数控直流电流源系统框图1. 1 恒流源主电路设计恒流源电路原理结构图如图2 所示,由于D/ A转换输出的模拟信号不稳定,加上C3 稳定电压。经过3.6 K 的电阻和1 K 的电位器加到单运放OP07 的同相输入端,调节电位器的阻值的大小可调节同相输入端的电位,从而改变输出点的电位,输出电位加到达林顿管的B 管脚上,进入达林顿信号产生自激信号,通过C1过滤掉。利用达林顿管的电流放大特性,可实现大电流的输出,电流放大倍数为1 000 ~15 000倍。图2 恒流源主电路原理结构图1. 2 单片机最小系统设计数控电路组成包括单片机最小系统、A/ D 采样输入电路和D/ A 控制输出电路。其中数控直流电流源的控制电路采用单片机最小系统对电路各部分进行控制。最小系统由MCU、采样输入、控制输出、串口通讯电路及复位电路、键盘、显示电路组成。单片机最小系统图如图3 所示。MCU 选用ATMEL公司的AT89S52 单片机。AT89S52 是一种低功耗、高性能的CMOS 工艺的8 bit 单片机,与标准MCS51 的引脚和指令完全兼容。其外接晶振频率范围为0 Hz ~33 MHz,内置256 B 片内RAM,3 个16 位定时器/ 记数器,片内看门狗。其性能好于我们常用的89C52 系列单片机。图3 单片机最小系统电路图1. 3 A / D 采样输入电路设计A/ D 采样输入电路如图4 所示。为了满足取样精度需要,我们选择12 bit A/ D 转换器和12 bitD/ A 转换器,使步进小于1 mA,在电路中A/ D 启动后,先读高8 位结果,再读后4 bit;D/ A 是先写入高8 bit,再写入低4 bit.图4 A/ D 采样输入电路1. 4 D / A 采样电路设计D/ A 控制输出电路如图5 所示。该单片机的输入信号为经过12 bit 的A/ D 转换器的数字量,送入单片机处理后产生输出数字量经D/ A 转换后送入恒流源,因而这种数控恒流源的精度最终取决与电路中A/ D 和D/ A 转换器的转换精度。图5 D/ A 控制输出电路1. 5 系统控制算法软件实现采用数字控制策略比模拟控制的有无可比拟的优势:实现不同的控制算法;数字PID 具有设计周期短,调试和升级方便。数字控制系统主程序图如图6 所示。在系统加电后,主程序首先完成系统初始化,其中包括A/ D、D/ A、串行口、中断、定时/ 计数器等工作状态的设定,给系统变量赋初值,显示上次设定值等。然后扫描获取键值,判断设定键、校准键是否按下,执行相应的功能子程序。当启动键按下后,根据设定值、校正等参数计算对应输出的数字量,再进行闭环反馈调整,如图6 所示。图6 系统主程序流程图2 实验结果及分析电源稳定度测试数据如表1 所示。其中电源稳定度是指在容许电网波动范围条件下,对输出电流稳定度的影响。测试条件为I0 =1 000 mA,RL =3Ω,测试数据表明电网电压在180 V ~250 V 波动时,输出电流最大偏差为0.99 mA,纹波电流小于0.05 mA,输出电流和纹波电流均达到设计要求。表1 电源稳定度测试数据负载稳定性测试条件为U0 =220 V/50 Hz,I0 =1000 mA,测试数据如表2 所示,其中负载稳定度是指一定的工作情况下,负载变化引起的输出电流变化。测试数据表明负载在0 ~10 赘变化时,输出电流最大偏差为0. 99 mA,纹波电流小于0. 05 mA.表2 负载稳定性测试数据3 结论本论文设计了基于单片机控制的直流恒流源,用单片机代替模拟控制芯片具有以下优势:(1)单片机控制电路的应用,减少了控制电路的外围电路,减少了恒流源的重量和体积。(2)数字化处理和控制,可避免模拟信号传递的畸变、失真,减少杂散信号的干扰;(3)该数字控制电路相对于模拟控制电路具有输出电流恒定,精度高且外置数码显示功能。本文对数控恒流源的研究为国内直流恒流源的发展提供了一个思路。

    时间:2018-09-20 关键词: 单片机 恒流源 直流 电源技术解析

  • 基于单片机的恒流源技术研究

    基于单片机的恒流源技术研究

    摘 要:设计了一种基于单片机控制的数控恒流源。数控恒流源以AT89S52 为控制核心,采用了高共模抑制比低温漂的运算放大器OP07 和达林顿管TIP122 构成恒流源的主体,配以高精度12 bit D/ A 芯片MAX532 以及16 bit A/D芯片AD7715 完成单片机对输出电流的实时监测。通过键盘来设置直流电源的输出电流,设置步进等级可达1 mA,并可由数码管显示电流设定值和实际输出电流值。数控恒流源具有控制界面直观、简洁的特点,具有良好的人机交互性能。直流恒流源的输出电流,是相对稳定而非绝对不变的,它只是变化很小,小到可以在允许的范围之内。产生变化的原因是多方面的,主要有以下几个因素:(1)电网输入电压不稳定所致 电网供电有高峰期和低谷期,不可能始终稳定如初。(2) 由负载变化形成的 比如负载短路,负载电流会很大,电源的输出电压会趋于接近于零,时间一长还会烧坏电源。(3)由稳定电源本身条件促成的 构成稳定电源的元器件质量不好,参数有变化或完全失效时,就不可能有效地调节前两种原因引起的波动。(4)元器件因受温度、湿度等环境影响而改变性能也会影响稳定电源的输出不稳。恒流源设计中主要针对以上第3 和第4 个因素设计了基于数字控制的直流恒流源,可以提高恒流源输出电流的稳定性。1 数字控制直流电流源系统工作原理本论文设计了基于单片机的数控恒流源,该系统由恒流源主电路和单片机最小系统组成,其中单片机最小系统主要由单片机控制单元、A/ D 和D/ A 转换模块以及负载及键盘显示模块组成,系统结构框图如图1所示。单片机控制系统以单片机AT89S52 为核心[1] ,高精度12 bit A/ D 芯片AD1674 实现采样输入,12 bitD/ A 芯片DAC1230 产生控制输出,实现了输出电流的精确设定和检测,系统还设置了串口通讯功能。技术指标:输入电压180 V ~250 V/50 Hz,输出电流范围为20 ~2 000 mA,具有" +"、" -"步进调整功能,步进<=10 mA;输出电流最大偏差小于1 mA,纹波电流小于0. 05 mA.数控直流电流源系统框图如图1 所示。图1 数控直流电流源系统框图1. 1 恒流源主电路设计恒流源电路原理结构图如图2 所示,由于D/ A转换输出的模拟信号不稳定,加上C3 稳定电压。经过3.6 K 的电阻和1 K 的电位器加到单运放OP07 的同相输入端,调节电位器的阻值的大小可调节同相输入端的电位,从而改变输出点的电位,输出电位加到达林顿管的B 管脚上,进入达林顿信号产生自激信号,通过C1过滤掉。利用达林顿管的电流放大特性,可实现大电流的输出,电流放大倍数为1 000 ~15 000倍。图2 恒流源主电路原理结构图1. 2 单片机最小系统设计数控电路组成包括单片机最小系统、A/ D 采样输入电路和D/ A 控制输出电路。其中数控直流电流源的控制电路采用单片机最小系统对电路各部分进行控制。最小系统由MCU、采样输入、控制输出、串口通讯电路及复位电路、键盘、显示电路组成。单片机最小系统图如图3 所示。MCU 选用ATMEL公司的AT89S52 单片机。AT89S52 是一种低功耗、高性能的CMOS 工艺的8 bit 单片机,与标准MCS51 的引脚和指令完全兼容。其外接晶振频率范围为0 Hz ~33 MHz,内置256 B 片内RAM,3 个16 位定时器/ 记数器,片内看门狗。其性能好于我们常用的89C52 系列单片机。图3 单片机最小系统电路图1. 3 A / D 采样输入电路设计A/ D 采样输入电路如图4 所示。为了满足取样精度需要,我们选择12 bit A/ D 转换器和12 bitD/ A 转换器,使步进小于1 mA,在电路中A/ D 启动后,先读高8 位结果,再读后4 bit;D/ A 是先写入高8 bit,再写入低4 bit.图4 A/ D 采样输入电路1. 4 D / A 采样电路设计D/ A 控制输出电路如图5 所示。该单片机的输入信号为经过12 bit 的A/ D 转换器的数字量,送入单片机处理后产生输出数字量经D/ A 转换后送入恒流源,因而这种数控恒流源的精度最终取决与电路中A/ D 和D/ A 转换器的转换精度。图5 D/ A 控制输出电路1. 5 系统控制算法软件实现采用数字控制策略比模拟控制的有无可比拟的优势:实现不同的控制算法;数字PID 具有设计周期短,调试和升级方便。数字控制系统主程序图如图6 所示。在系统加电后,主程序首先完成系统初始化,其中包括A/ D、D/ A、串行口、中断、定时/ 计数器等工作状态的设定,给系统变量赋初值,显示上次设定值等。然后扫描获取键值,判断设定键、校准键是否按下,执行相应的功能子程序。当启动键按下后,根据设定值、校正等参数计算对应输出的数字量,再进行闭环反馈调整,如图6 所示。图6 系统主程序流程图2 实验结果及分析电源稳定度测试数据如表1 所示。其中电源稳定度是指在容许电网波动范围条件下,对输出电流稳定度的影响。测试条件为I0 =1 000 mA,RL =3Ω,测试数据表明电网电压在180 V ~250 V 波动时,输出电流最大偏差为0.99 mA,纹波电流小于0.05 mA,输出电流和纹波电流均达到设计要求。表1 电源稳定度测试数据负载稳定性测试条件为U0 =220 V/50 Hz,I0 =1000 mA,测试数据如表2 所示,其中负载稳定度是指一定的工作情况下,负载变化引起的输出电流变化。测试数据表明负载在0 ~10 赘变化时,输出电流最大偏差为0. 99 mA,纹波电流小于0. 05 mA.表2 负载稳定性测试数据3 结论本论文设计了基于单片机控制的直流恒流源,用单片机代替模拟控制芯片具有以下优势:(1)单片机控制电路的应用,减少了控制电路的外围电路,减少了恒流源的重量和体积。(2)数字化处理和控制,可避免模拟信号传递的畸变、失真,减少杂散信号的干扰;(3)该数字控制电路相对于模拟控制电路具有输出电流恒定,精度高且外置数码显示功能。本文对数控恒流源的研究为国内直流恒流源的发展提供了一个思路。参考文献:[1].AT89S52 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/AT89S52+_970343.html.[2].OP07 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/OP07+_950754.html.[3].TIP122 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TIP122+_648517.html.[4].MAX532 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/MAX532+_1058051.html.[5].AD7715 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/AD7715+_249863.html.[6].AD1674 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/AD1674+_121105.html.[7].DAC1230 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/DAC1230+_253837.html.[8].89C52 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/89C52+_105388.html.3次

    时间:2018-09-20 关键词: 技术研究 单片机 恒流源 电源技术解析

  • 基于单片机的数控直流恒流源的设计

    基于单片机的数控直流恒流源的设计

    摘要:该数控直流恒流源采用模块化,通过开关和按钮的设置,配合INTEL AT89C55单片机的编程实现数字控制,数字显示,同时用DAC0832实现D/A转换,输出模拟控制电压,再用运放和功率三极管组成电流负反馈系统来完成输出电流控制及恒定。整个系统由单片机控制,输出部分使用运算放大器和功率放大器组成深度电流负反馈大大减少了输出端的电流波动,使系统输出电流误差<1mA,纹波电流≤0.2mA。关键词:数控直流恒流源,INTEL AT89C55单片机,DAC0832,纹波电流,Abstract:The Numerical controlled Constant-Current Source,we adopted the modular design. Through the setting of switches and buttons,can accomplish digital control and digital display by INTEL AT89C55 microcontroller programming,use the DAC0832 to implement D/A converter,output the analog control voltage,is using current negative feedback system constructed by operational amplifier and power transistor to accomplish output current control and constant. The system is control by Microcontroller. Output unit is using current negative feedback system constructed by operational amplifier and power transistor,must be reduce the fluctuate of output current,the system of output current error<1mA,ripple current≤0.2mA。Keyword:Numerical Controlled Constant-Current Source;INTEL AT89C55 Microcontroller;DAC0832;Ripple Current1 引 言恒流源也称电流源或稳流源。能够向负载提供恒定电流的电源称作恒流源。理想的恒流源其输出是绝对不变的,但实际的恒流源只能在一定范围内保持输出电流的稳定性[1-2]。目前,恒流源被广泛用于传感技术、电子测量仪器、现代通信、激光、超导等高新技术领域、并且有良好的发展前景。2 系统组成和工作原理2.1 系统的组成本数控恒流源系统可分为单片机控制部分、变压整流和供电部分、A/D和D/A转换电路、恒流源电路、键盘或显示器接口电路等几部分组成。系统框图如图1所示。2.2 系统工作原理系统采用AT89C55单片机为核心,控制、比较调整单元基准的变化,实现高精密电压控制。交流电压经变压,整流,滤波,稳压后通过78,79系列稳压管输出提供电路所需电压,CPU根据预置开关设定的数据或键盘输入的数据,计算出相应的基准电压值,送给DAC0832转换成模拟电压,再送主控电路通过反馈控制,使电流稳定输出。在经过ADC0809转换成数字信号输出单片机。由按钮选择配合软件分别实现设定值与测试值的交替显示。控制核心采用单片机INTEL89C55,用此来控制提高了精度,人工干预自由度大,功能扩展,升级余地比较大,兼容性强,成本低廉,易于制作,生产。采样部分使用运算放大器具有很大的电源电压控制化,可以大大减少输出端的纹波电流。显示部分采用键盘/显示器接口控制器8279,不仅简化接口电路,而且还减少了软件对键盘/显示器的查询时间,提高了CPU的利用率。3 主要电路设计与计算3.1 变压整流和供电部分供电部分输出200~240V,50HZ的交流电,经过变压器的变压,整流,滤波,得到系统所需的三种电压:+5V,+12V,-12V。主要是供数控部分和D/A转换芯片使用电源,同时也是稳压输出电路的主电源。系统框图如图2所示。对于滤波电容的选择,要考虑:整流管的压降;7812/7912/7815/7805的最小允许压降为Ud;电网波动为10%,所以考虑电容为4700μF/16V。因7815和7812负载重功率大,所以应加装散热器;电源为了使输出的电流纹波≤0.2mA ,在稳压器的输出端都加上了滤波器,来除去电流的纹波。图2 变压整流和供电部分的系统框图3.2 恒流源电路单片机的输出经过D/A转换为模拟信号后,经过双运放集成块放大后,再经过MOS管(2SK1062,N沟道)引入深度电流负反馈。引入电流负反馈可以稳定输出电流,提高放大倍数的稳定性,扩展频带,减小非线性失真[3]。采用场效应管的优点是双极性晶体管输出几乎是不可取电流,而MOS管电压与电流控制范围好,应而输出电阻较高,并且低噪声抗辐射,热稳定性以及功耗小等优点。电路如图3所示图3 恒流源电流 场效应管与BJT最基本的差别在于场效应管是电压控制元件,输出漏极电流是由输出栅极电压控制的。跨导定义为:(1)式中:Id为输出电流 ,Vgs为输出电压。从栅极看进去的输入电阻近似为无穷大,漏极电流可以忽略不计。负载电阻改变及纹波电流的抑制均由深度电流负反馈来实现。输出电流范围在0.02~2A,如取样电阻Rs为5Ω,则输出电压在0.1~10V之间进行改变。改变负载电阻Rf时,输出电压在10V以内变化时,输出电流变化范围为≤输出电流值1%+1mA。供电采用+12V电压供电,用一个4.7μF的电解电容和一个0.1μF的瓷片电容去耦。3.3 数控部分89C51单片机基本系统:数控核心采用89C55单片机与EEPROM ,RAM,地址锁存器74LS373组成单片机的基本系统,并对P2口的P2.0经74LS138地址译码后作为8279的选通信号。在89C51引脚X1和X2接入晶振Y1和微调电容C5,C6就构成了时钟电路,值为12MHZ[4-5]。系统采用了上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电复位要求接通电源后,单片机自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下,在单片机运行期间,操作按钮开关10使单片机复位。上电自动复位通过外部复位电容C4的充电来实现。按键手动复位是通过复位端经电阻和Vcc接通来实现。键盘为8×2按键式键盘,当有按下时,向CPU申请中断,CPU在中断程序中读取键盘编码,作相应处理。0-9号按键用来输入0.02~2A的预置电流,在输出端输出相对应的电流,10号按键为单片机手动复位清零键。键盘/显示接口电路:在设计键盘/显示接口电路时,使用8279键盘/显示控制器,它能实现对键盘的自动扫描,并对显示器进行自动刷新。4 电路测试与分析4.1 测试方法测试所用仪器:数字万用表,外接220V交流电源,低频毫伏表。测试方法框图如图4所示。图中RL为负载电阻,RS为取样电阻,0.5Ω。用万用表测1和2两端的值为实测电流值;用低频毫伏表测3和4两端的值为输出纹波电压值。误差百分率测试:为了比较测量值和真实值的误差,我们在20~2000mA之间选定了六个值相比较,测量数据记录如表1所示,误差百分率计算公式为:(2)式中:I1为显示值,I2为测量值。图4 测试方法框图4.2 测试结果记录负载为5Ω时,输出电流预置值、显示值和测试值的对照表,见表1所示。表1 显示值与测量值对照表(RL=5Ω) 当改变负载电阻(RL=20Ω)时对恒流值的影响,其测试数据如表2所示。表2 当RL=20Ω时,测试数据记录表4.3 误差分析从测量结果来看,系统的误差主要来源于:⑴ 运算放大器和MOS管的电流放大倍数不够大或者不稳定;⑵D/A 转换器和A/D转换器存在一定的量化误差;⑶取样电阻可能因温度的变化引起了误差;⑷基准电压的稳漂引起的误差。5 结论本文是以AT89C55单片机为核心控制部件,通过由运算放大器和功率放大电路组成电流负反馈系统,来完成输出电流的控制和恒定,从而提高了系统的精度。它的输出电流可在0.02~2A之间变化,随负载和环境温度变化较小。该系统电路简单、成本低、功耗小、可靠性高,具有较为广阔的市场前景和应用价值。参考文献:[1].DAC0832datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/DAC0832_253651.html.[2].ADC0809datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ADC0809_123186.html.[3].2SK1062datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/2SK1062_39639.html.[4].89C51datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/89C51_105386.html.[5].74LS373datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/74LS373_742872.html.[6].74LS138datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/74LS138_1054480.html.

    时间:2018-09-19 关键词: 单片机 恒流源 电源技术解析 数控

  • 智能大功率软启动恒流源的设计

    智能大功率软启动恒流源的设计

    电源启动过程中瞬时电流冲击很大, 对电源和器件的使用寿命有很严重的影响, 采用良好的控制方法对启动电流进行控制以减小其危害, 使启动过程中无瞬间冲击且能连续变化, 是电源启动控制中关键的一步。电源软启动方式就是控制输出电压和电流, 使负载的电压和电流渐增。对于线性时不变模型的被控对象适当整定PID 参数可获得较满意的控制效果, 可以很好地解决电流过大的问题。PID 控制能很好地解决启动过程中震荡和超调的问题, 可以更好地保护电源, 且启动可靠、稳定性强。采用单片机作为控制器, 编程灵活、性价比较高, 易实现人机界面管理。利用软件调整系统的非线性, 以降低实测值与设定值之间的偏差。电源电压或电流的波动、电路元件的老化、环境温度等因素都将影响电源的稳定性。为了稳定地控制电源功率, 该方案采用基于单片机的高速AD、DA 数据采集系统, 并采用PID算法实现大功率电源的软启动, 系统采用PID 电压采样反馈控制输出电流的恒定不变, 精度较高、响应速度较快、灵活性较好、稳定性较高。1 大功率精密恒流源的实现1.1 电源系统设计以单片机为核心, 完成以下功能: 处理键盘输入数值, 包括电路预定值和"+" 、"-" 步进; 控制数LCD 显示预定值和实际值; 控制ADC 和DAC; 根据得到的反馈信号通过程序控制算法进行偏差值补偿。由于运放OPA549 一路受D/A 转换器控制, 调整运放OPA549 输入端电压, 一路为比例放大电路。当DAC 输出预定值或步进值后, 电流源的输出在0 ~8 A 范围内变化。输出电压经与负载串联的小电阻采样后, 送入ADC, 采样值与预定值在单片机内部进行计算、比较输出控制信号,对偏差值进行补偿。利用软件调整系统的非线性, 以降低实测值与设定值之间的偏差。1.2 电源电路设计(1) 数控部分核心采用单C8051F , 控制数控直流源的键盘和显示, 与D/A 转换器和A/D 转换器控制输出电流。A/D 转换器的基准电压由专门±9 V 电源供电,D/A 转换器的基准电压由+20 V 电源供电, 由单片机送出数据经DAC 转换输出控制电压。(2) 运放OPA549 放大电路电流源。OPA549 是BB 公司新推出的一种高电压大电流功率运算放大器。它能够提供极好的低电平信号、输出高电压、大电流, 可驱动各种负载。该器件的主要特点: 输出电流大, 连续输出电流可达8 A, 峰值电流可达10 A; 工作电压范围宽, 单电源为+8 V~+60 V, 双电源为±4 V~±60 V; 输出电压摆动大;有过热关闭功能, 电流极限可调; 有使能及禁止功能; 有过热关闭指示; 转换效率( 压摆率) 最高为9 V/μs ; 工作温度范围为-40℃~+85℃。该器件主要应用于驱动工业设备、测试设备、电源、音频功率放大器等大电流负载。在该电源系统中, 主要为负载提供大电流, 采用PID 控制算法控制负载的发光强度。输入为单片机经DAC输出的控制电压, 一路为比例放大电路, 如图1 所示增益G=1+R3/R2.电流型DAC 通过R1 转换成电压, 控制OPA549 .输出电流经采样电阻转换为采样电压, 送入A/D 转换器反馈至单片机进行偏差值补偿。图1 OPA549 构成可调大电流恒流源(3) 散热及抗干扰。OPA549 大功率管工作时产生恒定的大电流, 功耗较大, 产生的热量较多, 散热成为该电源急需处理的问题。一般的轴流风扇内部电机置有脉冲驱动电路, 驱动时, 脉冲成分很容易直接顺电机电源线" 外溢" , 干扰其他电器设备。视频设备上干扰表现为横通斜线, 音响设备上产生噪音。为此, 安装大面积的铜散热片, 同时用风扇对设备中的电子元器件强制散热。安装风扇时, 需要在风扇电机电源线上串绕一只高频磁环以抗干扰。串绕磁环有效滤除这些干扰成分, 一般只需绕上1~3 匝即可。2 PID 控制算法系统软启动的控制功能通过比例积分微分控制器实现。通过比较给定信号与反馈信号的偏差, 并进行比例、积分、微分等运算进行控制, 是技术较成熟、应用、广泛的一种控制方式。其结构简单、灵活性强、系统参数调整方便, 不需要求出模型。PID 控制原理如图2 所示。PID 控制是一种线性调节器, 它把设定值W 与实际输出值相减, 得到控制偏差e .偏差值e 经比例、积分、微分后通过线性组合构成控制量U, 对对象进行控制。其中比例调节器起到基础调节作用, 主要对控制系统的灵敏度和控制速度有影响。积分调节器可以自动调节控制量, 消除稳态误差,使系统趋于稳定。微分调节器可以减小超调, 克服振荡, 同时加快系统的稳定速度, 缩短调整时间, 从而改善系统的动态性能。图2 PID 控制原理图PID 控制器的输出与输入之间的关系可表达为:式中: Ti为积分时间常数; Td为微分时间常数; Kp为比例系数; Ki为积分常数, Ki=Kp/Ti ; Kd为微分常数,Kd=Kp/Td.系统启动时间较短, 启动电压、电流较大, 负载所承受的冲击也较大, 致使启动阶段负载的动负荷峰值远远大于正常运行时的负荷, 容易造成负载的损坏。为解决此问题, 设计了一种新型的PID 控制软启动电源系统, 主要由电源、大电流恒流源、输出大电流端采样和控制系统组成, 并完成了实验室内的试验。当电源启动时, 首先由单片机系统给定设定电压、电流或功率。PID软启动是按负载线性上升的规律控制输出。在负载电压线性增加的过程中, 如果电流超出了所限定的范围, 则马上投入电压闭环, 使电流值限定在所设定的范围内后, 再线性逐渐增加电压至额定值, 系统的光强也由零逐渐增大, 完成启动过程。PID 控制系统软启动效果图如图3 所示。通过串行通信端口com1 通信, 电压单位mV、电流单位mA, 功率单位mW, 时间单位s.从图3 的软启动效果图可以看出, 在恒定电压、电流、功率的模式下工作时, 系统开机过程超调量很小, 有效地控制了启动过程, 防止了启动过程产生过大的扰动电压, 产生过大的功率,有效地保护了负载。3 实验结果由于输出电流达到8 A, 对电源的功率要求较高, 易产生噪声, 这种随机噪声也会对输出电流产生一定的影响。为减弱这种噪声, 各个模块分别供电, 以减少交叉干扰, 同时在电路板上多加装去耦滤波电容, 减小干扰的影响, 同时OPA549 能有效地抑制纹波。影响电源稳定性的因素很多, 如负载的变化、取样电阻的变化、A/D、D/A 的影响等。如图4 所示, 不同负载的情况下, 电源误差不同。10 W 的负载, 由于功率较低, 在电压、电流增加时, 误差变化也较小。35 W 的负载, 由于功率较大, 工作电流的变化范围比较大, 功耗较大, 电源的误差变化相应地也比较大。如图5, 在10 W、20 W 和35 W 的负载时, 工作状态稳定, 能够满足大电流、大功率的需要。该系统利用PID 算法进行控制, 采用大功率运放OPA549 输出电流在0~8 A 范围内可调, 最大峰值可达到10 A, 能够有效抑制纹波电流, 克服了传统电流源输出电流范围小的缺点。可设置并能实时显示输出电压、电流、功率实测值, 具有"+ " , "- " 步进调整功能, 输出可在LCD12864 显示, 同时通过RS232 与上位机同步通信, 直接显示, 保存实验数据。通过对测试结果的分析,系统在软启动的过程中, 超调量很小, 启动效果很好, 避免了对负载的冲击。由于大功率调整管的电流大范围变化时, 经过软件补偿、放大电路调整等方法解决线性度较差,实测值和设定值存在偏差的问题。该电源适用于大功率的场合,本电源具有很好的实用性。

    时间:2018-09-11 关键词: 单片机 恒流源 软启动 电源技术解析

  • 一种双极性输出大功率压控恒流源设计方案

    一种双极性输出大功率压控恒流源设计方案

    摘要:本文介绍了一种双极性输出的大功率压控恒流源的设计方法。该恒流源采用简单的运放系统,经过电压扩展和电流扩展,可提供25V、0~2A的可调恒定电流,既达到了提供大输出电流的目的,而且电路结构简单,成本较低,精度较高。经测试该恒流源有较高的负载稳定度和较低的纹波。0 引言在电子仪器设备中经常要用到压控电流源,并且要求在负载变化时具有很好的稳定性。传统的恒流源制作方法可以是利用二极管、三极管、集成稳压源的特性制作的参数稳流器、串联反馈调整型稳流电源、开关稳流源等等。参数稳流器的输出电流范围小、稳流精度不高; 串联反馈调整型稳流电源的输出电流小,效率较低;开关稳流源不仅电路复杂、元器件数量多,而且输出纹波大、可靠性较差。考虑到以上缺点,本设计采用了普通的运放,配合三极管进行电压扩展和电流扩展,既达到了提供大输出电流的目的,而且电路结构简单,成本较低,精度较高。1 电路设计图1是本设计的原理框图, 由外部的控制电压信号输入到运放构成的恒流模块中。输出的电流经电压扩展模块和电流扩展模块后提供给负载。电流经过采样电阻进行电流采样,获得的采样信号经由电压反馈系统模块反馈到恒流模块中进行恒流。其中由功率模块对电压扩展模块和电流扩展模块进行供电。(1) 功率模块。选择市面上常用的开关电源对电流扩展模块提供功率输出,在其输出端并接电容以消除干扰。由于要求双极性输出,所以选用双极性输出的开关电源可节约成本并减小体积。在实验中,我们使用标称纹波为1%的开关电源。使用78、79系列三端稳压器降压后提供给电压扩展模块以提高运放的输出电压。(2) 运放恒流及电压反馈模块。图2是运放恒流模块及电压反馈模块。由图2可见由电流输出端采集到的经分压处理后的采样反馈信号经由运放组成的跟随器及反向器后,被送到反向加法器U4的反向端与电压控制信号相加得到运放的输出电压V3.V3计算公式为:式中m=1+R22/R23。(3) 电压扩展及电流扩展模块。图3所示是电压扩展模块电路图。由运放构成差动放大器,将恒流系统生成的信号与分压处理后的输出电压进行比较放大,形成最后的输出电压。系统中的三极管选择对管,以达到双极性输出的目的,此系统开环放大倍数仅由R17与R14的比值决定, 但经R25和R24分压反馈后,相当于放大器,其放大倍数由R25与R24的比值决定。图4所示为电流扩展电路。使用简单常用的图腾柱式电流扩展方法,注意功率三极管的选择,并加上散热片,保证功率输出。这样,经过电流扩展后V1计算公式为:式中n=1+R25/R24.图4中的Rs为采样电阻,在电流源电路中,取样电阻的精密程度直接影响电流输出的稳定性。在实验中,我们使用温漂小于5×10-6/℃ 、额定功率为10W的2Ω精密金属膜电阻。分别从采样电阻的两端对电压采样,这样通过采样电阻的电流I为:由以上电路分析式(1)、(2)得:调整R22、R23、R24、R25的电阻值,使m=n=l.实验中选择l=4,则:得出通过采样电阻的电流仅与输入的控制电压有关,则可得知整个电路达到可控恒流的效果。2 实验测量结果实验中我们使用普通电压源作为控制信号的输入, 使用大功率的50Ω可变电阻盘作为模拟负载,经测量,本恒流源的输出电流纹波约为0.8%.其主要影响纹波的原因为控制信号的稳定度,如使用更好精度的数字电压信号则会有更高的输出精度。图5是在电流为1A时本装置的负载电流稳定度曲线, 可发现恒流效果很好。由于使用36V的电源提供功率输出,当负载电阻大于30Ω时电流开始有衰减。3 结论本设计采用简单的运放及三极管恒流电路制作了一种电路简单、有较高负载电流稳定度和较低纹波的恒流原。独特的电压扩展电路和电流扩展电路实现了使用普通运放的大功率输出,克服了普通运放电路输出功率低的弱点。并使用对称结构实现了同一电源的双极性输出。如使用数字控制信号作为电流控制信号则可实现输出电流的数字控制。1次

    时间:2018-09-05 关键词: 设计方案 极性 恒流源 电源技术解析

  • 基于AVR单片机PWM功能的数控恒流源电路设计与产品研制

    随着电子技术的深入发展,各种智能仪器越来越多,涉及领域越来越广,而仪器对电源的要求也越来越高。现今,电源设备有朝着数字化方向发展的趋势。然而绝大多数数控电源设计是通过高位数的A/D和D/A芯片来实现的,这虽然能获得较高的精度,但也使得成本大为增加。本文介绍一种基于AVR单片机PWM功能的低成本高精度数控恒流源,能够精确实现0~2A恒流。系统框图 图1为系统的总体框图。本系统通过小键盘和LCD实现人机交流,小键盘负责接收要实现的电流值,LCD12864负责显示。AVR单片机根据输入的电流值产生对应的PWM波,经过滤波和功放电路后对压控恒流元件进行控制,产生电流,电流再经过采样电阻到达负载。同时,对采样电阻两端信号进行差分和放大,送入ADC。单片机根据采集到的值调整PWM输出,从而调整了输出电流。如此反复,直到电流达到设定要求。 图1数控恒流源系统框图模块介绍 1 人机接口模块 本模块包括小键盘电路和液晶显示电路。键盘设计为3×4键盘,由数字键0~9,功能键“删除”及“确认”组成,采用反转法实现键值识别。显示电路由带中文字库的LCD 12864构成,该液晶可以每行8个汉字显示4行。由于这部分电路比较简单,在此不详述。 2核心控制模块 系统的核心控制模块为AVR单片机(ATMEGA 16L)。主要使用了AVR的PWM功能和A/D功能。 AVR单片机片内有一个具有16位PWM功能的定时/计数器。在普通模式下,计数器不停地累加,计到最大值(TOP=0xffff)后溢出,返回到最小值0x0000重新开始。当启用PWM功能即在单片机的快速PWM模式下,通过调整OCR1A的值可实现输出PWM波的占空比变化。产生PWM波形的机理是:PWM引脚电平在发生匹配时(匹配值为0~0xffff之间的值,如图2中的C),以及在计数器清零(从MAX变为BOTTOM)的那一个定时器时钟周期内发生跳变,具体实现过程如图2所示。 图2PWM波产生过程 图2中的C~F为OCR1A匹配值。从图中可见,波形在每个匹配值处以及计数清零时输出发生变化,从而实现了PWM波。由于OCR1A的值可以从0x0000到0xffff,共有65535个值,因此PWM波的最大分辨率为1/65535,满足系统分辨率设计要求。PWM波的频率为: (1) 其中,fclk_I/O为系统时钟频率(7.3728MHz),N为分频系数(取1、8、64、256或1024)。在N取1时,根据式(1)得PWM波的最大频率为7.3728MHz;当N取1024时,PWM波的最小频率为 7.2kHz。本系统N取256,PWM波频率为28.8kHz。 单片机内部有1个10位的逐次逼近型ADC,当使用片内VCC作为参考电压Vref,其分辨率为: (2) 若使用片内的2.56V基准源作为参考电压,依据式(2)可得到其分辨率为0.003V。 当系统需要更高的分辨率时,可以通过软件补偿的方法来实现。具体实现方法可参考相关资料。3 滤波和功放模块 图3二阶RC低通滤波电路 PWM波产生后不能直接用于控制MOSFET,需把其变成能随占空比变化而变化的直流电压。在此,我们选用二阶RC低通无源滤波器,并取得了很好的效果。 二阶RC低通无源滤波器的系统函数为: (3) 其中,A为通带增益,Q为品质因素,ω0为截止频率。根据式(1)算出PWM波的频率,取截止频率为30kHz,由式(3)可确定对应的电阻、电容值。 由于无源滤波器的负载能力差,信号经过二阶无源滤波网络后衰减比较厉害,需要增加一级功率放大电路。功放电路比较简单,也有经典电路,限于篇幅不再赘述。 4 恒流源模块 恒流源采用的是压控恒流元件IRF540,它的VGS为20V,ID为33A。截止时,最大漏电流为1μA,导通电阻仅有0.04Ω,图4为IRF540的特性曲线。 图4IRF540特性曲线 由图4可知,当VGS为5V时,可输出电流就可达到30A左右,完全能实现小电压控制大电流的目的。具体应用电路如图5所示。 图5横流电路 IRF540的G极接PWM波转换后的直流电压,D极接能提供15V/5A电流的电源(可采用开关电源),S极用来接采样电阻和负载。采样电阻应采用温漂系数低、阻值为10mΩ、精度为1%的大功率锰铜丝电阻。当对采样电阻两端信号进行差分后,可得到采样电阻两端的电压值U,而在已知采样电阻阻值情况下,很容易得到流经采样电阻的电流,即I=U/R。由于负载与采样电阻在同一条支路,故流经负载的电流也为I。差分放大电路的放大倍数可根据采样电阻阻值以及ADC的参考电压来选择,图5中要求R1=R3,R2=R4,放大倍数为R4/R3。需要注意的是该电路应该具有很高的输入阻抗,以减少对负载电路的影响。差分信号经ADC口送入单片机进行处理。软件设计 由图6可知,整个系统是一个动态的闭环系统。由于PWM初始匹配值设置的大小不同,电流值在开始时可能会跟设定值有较大偏差。随着闭环系统的自我调整,逐渐使输出稳定在设定值上下。系统达到稳定状态的时间以及稳定后电流值波动的幅度,可根据设计要求由软件来调整。 图6程序流程图实验结果 我们对此数控恒流源进行了负载测试,测试结果如下: 从表1和表2的实测数据中可以看出,该恒流源在负载为100Ω以内,最大误差仅为2mA,在0~200mA段没有误差,满足了设计要求,达到了较高的精度。 如果需要提高200mA段以上的精度,可采用软件补偿的方法实现。即先测量足够多的测试数据,然后采用曲线拟合方法对数据分段进行补偿,详细方法可参考相关资料。结语 本文介绍的基于PWM技术的数控恒流源电路结构简单,成本低,系统稳定可靠,精度高,已经应用于工业生产。如果设计要求更高的恒流值,可以更换更大功率的+15V/I电源,以及更换合适的压控恒流元件.

    时间:2018-07-23 关键词: 单片机 恒流源 功能 数控

  • 开关电源式高耐压恒流源电路图

    开关电源式高耐压恒流源电路图

    开关电源式高耐压恒流源电路图 研制仪器需要一个能在0到3兆欧姆电阻上产生1MA电流的恒流源,用UC3845结合12V蓄电池设计了一个,变压器采用彩色电视机高压包,其中L1用漆包线在原高压包磁心上绕24匝,L3借助原来高压包的一个线圈,L2借助高压包的高压部分。L3和LM393构成限压电路,限制输出电压过高,调节R10 可以调节开路输出电压。

    时间:2018-04-02 关键词: 恒流源 开关电源 高耐压

  • 恒压源与恒流源的比较

    恒压源与恒流源的比较

    恒压源与恒流源的比较

    时间:2017-09-22 关键词: 恒流源 模拟电路 恒压源

  • 如何用运放电路制作恒流源

    如何用运放电路制作恒流源

    1、基本原理: 运放制作恒流源的原理是运放的加减法运算电路。 电路中需要一个确定输出电流大小的基准电源和采样电阻,在采样电阻两端的电位进行比较运算并控制采样输出保证采样电阻上电压保持恒定,从而保证输出电流的恒定。 2、基本电路: 下图是典型的恒流源电路,基准电源Vref,采样电阻RS。   3、电路分析: 可以看出它实际上就是一个加法电路:它的输出Vo是由两个输入Vref、Vo'叠加的结果。 V01=(Vref/2)*2=Vref Vo2=(Vo'/2)*2=Vo' Vo=Vo1+Vo2=Vref+Vo' 则有: Vo-Vo'=Vref 取样电阻RS中的电流: I=(Vo-Vo')/RS=Vref/RS 如果取电流很小,满足: IR< 实际电路中,只要满足R>>RS,就可以满足IR< 则有: Io≈I=Vref/RS 所以输出电流只取决于基准电压Vref和采样电阻RS,与输出负载无关。

    时间:2017-07-31 关键词: 恒流源 模拟电路 运放电路

  • 采用铂电阻的宽量程高精度温度测量装置

    根据本文研究的方法所设计的温度测量系统具有体积小、精度高等特点,不但可以用于工业生产和科学研究过程中的高精度温度测量,也可作为可传递的计量标准。 0 引言 -30-300℃是科学研究和工业生产最常用的温度范围,随着科学研究和工业生产对温度测量精度和分辨率要求的提高,具有高分辨率、高精度的温度测量方法的研究、相关高分辨率、高精度测温仪器的研发已收到广泛的关注。标准铂电阻温度计作为1990 年国际温标(ITS - 90) 规定的内插测温仪器,是-30-300 度温度段内测温准确度最高的测温仪器。铂电阻作为温度敏感元件,是铂电阻温度计的核心部件。Pt100 作为精密测温常用的传感器具有性能稳定、重复性好、误差小等优点。 将铂电阻随温度变化而产生的阻值变化转换为可被进一步处理的电压信号的方法通常由两种:电桥法和恒流源法。电桥法固有的非线性会在测温系统中引入系统误差;恒流源法具有很好的线性度并且结构简单,但是,由于恒流源的稳定性问题,会引入随机误差。本文研究了一种基于恒流源法的,以Pt100 为温度传感器的高精度、高分辨率温度测量方法。采用比例测量原理消除恒流源稳定性造成的随机误差;采用分段测量的方法在-30-300℃范围内进行高精度测量。 1 测量原理 恒流源输出电流的不稳定是造成基于恒流源的铂电阻温度测量误差的主要来源。采用比例测量的方法来消除恒流源电流强度的波动。其原理如图1 所示: 将Pt100 与高精度标准电阻串联。设某一时刻,恒流源输出的电流强度为Ia,那么,在Pt100 上形成的电压降Up=Ia*Rp,在标准电阻上形成的电压降Us=Ia*Rs,同时采集铂电阻和标准电阻的电压降,并将电压降比值进行相除操作,则比值λ=Up/Us=Rp/Rs,这样就可以消除电流源不稳定造成的随机误差。 设采集温度电压信号的AD 转换器位数为,如果将-30-300℃的温度范围作为一个整体来考虑且其输出的电压范围与AD 转换器的量程相同,那么,LSB 的变化表明,温度变化了 ℃。 而实际上,由于温度电压的范围要稍小于AD 转换器的量程,那么,LSB 的变化所代表的温度要大于℃。本文采用一种分段测量的方法,将被测温度范围分成三段:-30-80℃、80-190℃、190-300℃三个温度段。在智能微处理器的控制下,恒流源针对三个不同的温度段,输出不同强度的测试电流。使Pt100 在每个温度段内形成的电压降经放大和调理后的电压范围逼近AD 转换器的量程。通过这种分段测量方法,可以有效提高温度测量的分辨率,为高精度温度测量做好技术准备。 2 测温系统设计 根据比例测量和分段测量的原理,设计了高分辨率、高精度的铂电阻温度测量装置,其结构及主要元器件型号如图2 所示。 铂电阻为四线制A 级Pt100.以LM134 作为恒流源的核心器件,分别设置三个不同阻值的反馈电阻使其能够输出0.5mA,0.7mA,1mA 三种恒流。电阻的切换由信号继电器完成。信号继电器由MCU 通过继电器驱动器进行控制。-30-80℃范围采用1mA的测试电流、80-190℃范围采用0.7mA 测试电流、190-300℃范围采用0.5mA 的测试电流。标准电阻是精度为0.01% 的线绕电阻,其温度稳定性为5ppm/℃。采用INA114 作为铂电阻和标准电阻的信号放大电路的核心器件。对铂电阻的电压降放大100 倍,对标准电阻的电压降放大40 倍。以-30-80℃为例,当采用1mA 测试电流时,铂电阻两端的电压降范围为88.22-130.9mV, 放大100 倍后,电压范围为8.822-13.09V.在INA114的REF 端,输入-8.192V 的电压,则INA114 的输出电压范围为0.63-4.898V.用TI 公司的24 位AD 转换器ADS1247 对INA114的输出电压进行模数转换。ADS1247 的输入范围是0-5V,那么,在理论上,在-30-80℃范围内的温度分辨率可达到 ℃。但是,由于ADS1247 的稳定性和误差问题,实际的分辨率会低于理论分辨率。测温装置的工作流程为:MCU 根据键盘的输入信息,发起一次温度测量。MCU 首先控制信号继电器,使LM134 输出1mA 的电流,然后,采集铂电阻的输出信号电压,如果达到5V,则驱动继电器切换LM134 的反馈电阻,直到铂电阻输出电压低于5V.进而同时采集铂电阻和标准电阻输出的电压信号,并进行相除操作和温度换算,将换算结果送显示器。 通过在分辨率为0.001℃、精度为0.01℃的低温和恒温油槽实验,该装置的测量精度可达到0.03℃,最大的温度分辨率为0.003℃。 3 结论 本文论述了一种基于铂电阻的宽量程高精度温度测量装置的设计原理和实现方法。比例测量方法可以有效消除因恒流源波动造成的随机误差。采用分段测量的方法可以将被测温度范围进行局部放大,从而提高测量的分辨率和精度。

    时间:2017-07-06 关键词: 恒流源 铂电阻 温度测量装置

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