CN109032042A - 一种具有恒压恒流的放电电路 - Google Patents

Abstract

一种具有恒压恒流的放电电路，功率电感的输入端连接电源输入端，开关电路的开关控制端连接控制芯片，一个开关连接端连接功率电感的输出端，另一开关连接端接地，续流二极管的阳极连接功率电感的输出端，阴极形成电源输出端，电压采样电路的采样连接端连接电源输出端，采样输出端连接至控制芯片，电流采样电阻的一端接地，另一端与APGD激发源的输出端连接；比较反馈电路的第一比较信号输入端连接至电流采样电阻的所述另一端，第二比较信号输入端连接基准电压，反馈信号输出端连接至控制芯片；控制芯片根据电压采样电路与比较反馈电路传输过来的信号大小，分别实现电压与电流的负反馈调节。本发明放电电路在放电时，放电电压及电流稳定，延时小。

Description

一种具有恒压恒流的放电电路

技术领域

本发明涉及放电领域，更具体地说，涉及一种具有恒压恒流的放电电路。

背景技术

经济高速发展带来的问题也是严重的，与老百姓最密切的就是环境污染，已经严重影响人们的日常生活。在所有环境问题中，水污染是一个很棘手的问题。各地的钢铁厂、铝厂、电厂以及化肥厂等等，生产过程中会产生很多废水。这些废水往往含有重金属元素，只有很少一部分被处理，绝大部分被直接排放到河流或地下，污染了淡水、地下水及土壤，严重影响了动植物的生长和人们的健康。因此，迫切需要进行水体重金属污染的有效监控和治理。对于废水中重金属的检测，目前的方法是现场取样-将样品带回实验室-根据实验室的检测结果对排污企业进行处罚。这种方式有很多问题，比如，样品在带回实验室的途中可能会被换掉，环保部门突击或例行取样时企业可以暂停排污等等。造成这一问题的深层次原因是传统检测通常采用电感耦合等离子体原子发射光谱 (ICP-AES)、原子吸收光谱(AAS)等技术。采用该技术的检测设备有很多缺点：体积和重量大、功率高、惰性气体消耗量大、测试费用昂贵等，因此无法实现现场的快速检测。

本专利技术致力于解决上述问题。采用“基于常压辉光放电(APGD)激发光源”，并配备本专利技术提到的放电电路，研发出的便携式“重金属检测仪”，可以满足目前水体中常见重金属最低检出限值的要求，同时仪器的功率可以降低至30W以内。再配以锂电池，可以将仪器携带到污染现场，可以快速得到检测结果。同时，可以直接将检测设备布置到污染现场的出水点，利用无线通信技术，可以直接在环保部门的电脑上或者手机App上实时察看污染现场的水质数据，让排污企业没有任何可乘之机。本专利技术提到的放电电路，是上述便携式“重金属检测仪”的关键技术，能够实现APGD的点火和稳定放电，光谱仪可以获得稳定的测试数据。

目前市场上的高压放电电路有以下两种：

第一种，采用恒压电源+电阻限流的方法，原理图见图1。

该电路中：高压电源的输出是恒压模式，输出电压恒定；单片机是软件可编程的芯片；APGD激发源是常压辉光放电的组件；R1和R2是限流电阻； Vadj是控制高压电源的电压。

电路工作原理为：单片机接受用户指令，确定所需要的高压值，通过Vadj 控制高压电源的输出；高压电源输出是恒压模式，无论负载电流是多大，输出电压都是恒定不变的；电阻R1、APGD激发源、电阻R2是串联关系，三者电阻之和决定了高压放电的电流；电流公式为：

该电路结构简单，但其缺点也是明显的，主要有以下两个方面：一是输出电流不稳定：APGD激发源的特性是放电电弧，其等效电阻R_APGD不稳定，时大时小，这就造成Io是不稳定的，APGD辉光放电效果差，检测结果时好时坏；二是该电路没有漏电保护功能：高压电源经常超过1000V，尤其是在潮湿的环境下，漏电发生的概率更大，无漏电保护时，安全性不好。

第二种，采用恒压电源+电流反馈的方法，原理图见图2。

该电路中：高压电源的输出是恒压模式，输出电压恒定；单片机是软件可编程的芯片；APGD激发源是常压辉光放电的组件；R1和R2是限流电阻； Rcs是对输出电流进行采样的电阻；Vadj是控制高压电源的电压。

电路工作原理为：单片机接受用户指令，确定所需要的电压值和电流值；通过Vadj去控制高压电源的输出；电阻Rcs采样输出电流；高压电源的输出为恒流模式，当APGD激发源的等效电阻减小时，输出电流增大，Rcs上的电压升高，单片机采样后通过内部DA转换，并与设定值进行比较，实际工作电流高于设定值，则会降低Vadj的电压，直到输出电流与设定值相等为止；当 APGD激发源的等效电阻减小时，输出电流增大，也是上述反馈过程。

该电路与第一种的不同之处在于增加了电流反馈电路，通过单片机检测输出电流，并通过控制输出电压的来实现恒流的目的；这一电路主要有以下问题：电流反馈环路通过单片机实现，响应时间在100us以上，实时性差，放电稳定性不好；没有漏电保护电路。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中上述两种工作方式中所提出的输出电流不稳定、实时性差以及没有漏电保护功能的技术缺陷，提供了一种具有恒压恒流的放电电路。

本发明解决其技术问题，所采用的具有恒压恒流的放电电路包括：

控制芯片；

功率电感，输入端连接电源输入端；

开关电路，开关控制端连接控制芯片以接受控制芯片的控制进行通断，其中一个开关连接端连接功率电感的输出端，另一开关连接端接地；

续流二极管，阳极连接功率电感的输出端，阴极形成一电源输出端，电源输出端用于给APGD激发源的输入端提供工作电源；

电压采样电路，采样连接端连接电源输出端，采样输出端连接至控制芯片；

电流采样电阻，一端接地，另一端用于与APGD激发源的输出端连接；

比较反馈电路，第一比较信号输入端连接至电流采样电阻的所述另一端，第二比较信号输入端连接基准电压，反馈信号输出端连接至控制芯片；

控制芯片根据电压采样电路与比较反馈电路传输过来的信号大小，产生控制信号控制开关电路的通断，以分别实现电压与电流的负反馈调节。

进一步地，在本发明的具有恒压恒流的放电电路中，还包括变压器以及主控电路，变压器有绕制在同一铁芯上的三个绕组，第一绕组和第二绕组相同，第一绕组串联在所述电源输出端与所述APGD激发源的输入端之间，第二绕组串联在所述APGD激发源的输出端与电流采样电阻之间，第三绕组的两个信号输出端通过整流桥电路后被主控电路接收，主控电路连接所述控制芯片以在整流桥电路传输过来的信号大于预设值时使得所述控制芯片控制开关电路做出漏电保护动作。

实施本发明的具有恒压恒流的放电电路，具有以下有益效果：本发明放电电路在放电时，放电电压及电流稳定，延时小，并且进一步地具有漏电保护功能，防止APGD激发源漏电。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术中采用恒压电源+电阻限流的方法的原理图；

图2是现有技术中采用恒压电源+电流反馈的方法的原理图；

图3是本发明的具有恒压恒流的放电电路第一实施例的原理图；

图4是本发明的具有恒压恒流的放电电路第二实施例的原理图；

图5是本发明的具有恒压恒流的放电电路第三实施例的原理图；

图6是本发明的具有恒压恒流的放电电路第四实施例的原理图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参考图3，其为本发明的具有恒压恒流的放电电路第一实施例的原理图。本实施例的具有恒压恒流的放电电路包括：控制芯片11、开关电路12、电压采样电路13、电流采样电阻15、比较反馈电路16、功率电感L1以及续流二极管D3。

功率电感L1的输入端连接电源输入端V_in，开关电路12的开关控制端连接控制芯片以接受控制芯片11的控制进行通断，其中一个开关连接端连接功率电感L1的输出端，另一开关连接端接地；续流二极管D3的阳极连接功率电感L1的输出端，阴极形成一电源输出端V_o，电源输出端V_o用于给APGD 激发源14的输入端提供工作电源。在本实施例中，开关电路12通过MOS管实现，MOS管的G极连接控制芯片11的以接收控制信号，S极和D极中的其中一个连接功率电感L1的输出端，另一个接地。G极的控制信号来源于控制芯片11，其可以为PWM信号，在PWM处于高电平时，两个开关连接端之间导通，在PWM处于低电平时，两个开关连接端之间断开。两个开关连接端之间导通时，功率电感L1的输出端经过开关电路直接接地，续流二极管D3 的阳极处电源大小为0，两个开关连接端之间断开时，电源可以正常传输到续流二极管D3的阳极处，续流二极管D3的阳极处电源大小不为0。电源输入端V_in一般为直流信号，经过开关电路12处理后，续流二极管D3的阳极一般工作在频率50khz-200khz之间，续流二极管D3的阳极输入的是脉冲电压，阴极输出的是直流电压。

电压采样电路13的采样连接端连接电源输出端V_o电压采样电路13的采样输出端连接至控制芯片11。

电流采样电阻R_CS15一端接地，另一端用于与APGD激发源14的输出端连接。

比较反馈电路16第一比较信号输入端连接至电流采样电阻R_CS15的所述另一端，第二比较信号输入端连接基准电压V_REF，反馈信号输出端连接至控制芯片11。

控制芯片11根据电压采样电路13与比较反馈电路16传输过来的信号大小，产生控制信号控制开关电路11的通断，以分别实现电压与电流的负反馈调节。具体地，当电压采样电路13采集的电压信号大于电压预设值时，控制芯片11产生的控制信号PWM的占空比降低；当电压采样电路13采集的电压信号小于电压预设值时，控制芯片11产生的控制信号PWM的占空比增加；当电路的传输电流过大时，比较反馈电路16的反馈信号输出端的输出电压降低，即comp处的电压降低，控制芯片11根据comp处的电压产生的控制信号 PWM的占空比降低；相反的，当电路的传输电流过小时，控制芯片11产生的控制信号PWM的占空比增加。如此，可以实现电流和电压的恒流恒压。

参考图4，其为本发明的具有恒压恒流的放电电路第二实施例的原理图。本实施例与前一实施的不同之处在于，本实施例增加了漏电保护以及限流保护。如图所示，在APGD激发源14的输入端与电源输出端之间、APGD激发源14 的输出端和电流采样电阻R_CS15之间分别连接有限流电阻R₁₁、R₁₂，限流电阻 R₁₁、R₁₂的大小优选为大小相同。

漏电保护功能主要包括变压器17以及主控电路10、信号滤波网络19，主控电路10通过单片机实现。变压器17具有绕制在同一铁芯上的三个绕组，第一绕组(中间绕组)和第二绕组相同(下方绕组)，第一绕组串联在所述电源输出端Vo与所述APGD激发源14的输入端之间(在本实施例中直接连接在电源输出端Vo与限流电阻R₁₁之间)，第二绕组串联在所述APGD激发源14 的输出端与电流采样电阻R_CS15之间(在本实施例中直接连接在电流采样电阻 R_CS15与限流电阻R₁₂之间)，第三绕组(上方绕组)的两个信号输出端通过整流桥电路18后被主控电路10接收，在被主控电路10接收之间先通过信号滤波网络19进行处理，滤除其中的交流成分并进行降压处理。主控电路10连接所述控制芯片11以在整流桥电路传输过来的信号大于预设值时使得所述控制芯片11控制开关电路做出漏电保护动作。其具体工作原理，请参照下述实施例三。

参考图5，图5是本发明的具有恒压恒流的放电电路第三实施例的原理图，该实施例在第一、第二实施例的基础上进行了进一步具体化。下述将通过三部分具体进行讲解。

第1部分电路是Boost拓扑，U3是控制芯片，L1为功率电感，D3为续流二极管，R17和R18为输出电压采样电阻，C13是输出滤波电容；第2部分电路的作用是恒流控制，Rcs是输出电流采样电阻，U2是电压比较芯片，U4 是电流基准电路(具体是用于提供基准电压V_REF，以进行电流的调节)，C12 和R15组成的RC网络起到环路稳定的作用，R16和D2是comp电压下拉电路(达到电流反馈的目的)；R19和C14是Boost电路的环路稳定阻容网络；第3部分电路中，L2是一个基于共模电感的漏电流检测变压器，BR1是整流桥，R13、R14和C11是信号滤波网络，D1是电压钳位二极管。

恒压控制原理：电压采样电路包括串联的第一电阻R17和第二电阻R18，第一电阻R17的上端作为所述采样连接端，下端连接第二电阻R18的上端，第二电阻R18的上端接地，第一电阻R17与第二电阻R18的连接处形成所述采样输出端。电阻R17和R18检测电源输出电压Vo，公式为：

当电源的输出电压过高时，FB处电压高于电压预设值，控制芯片U3会降低PWM信号的占空比，从Vin输出到Vo的能量会减少，输出电压Vo会下降；当电源的输出电压过低时，FB处电压低于电压预设值，控制芯片，U3会提高PWM信号的占空比，从Vin输出到Vo的能量会增加，输出电压Vo会升高；最终在稳定工作状态下，输出电压与设定值是相等的。

实际应用中，通过单片机编程，设定控制芯片U3的FB电压，通过上述分析过程，输出电压会与设定值相等。

恒流控制原理：比较反馈电路包括一电压比较器U2、第二二极管D2、下拉电阻R16，电压比较器U2的反相输入端作为所述第一比较信号输入端，电压比较器U2的输出端依次串接所述下拉电阻R16、所述第二二极管D2的阴极、所述第二二极管D2的阳极、控制芯片U3。

Rcs检测输出电流，并通过电压的形式反映到电压比较器U2的反相输入端，电流基准U4产生基准电压V_REF连接到电压比较器U2的同相输入端，两个输入端进行电压比较。当电源提供的电流过大时，电压比较器U2的4脚输出的电压会降低，通过R16和D2的下拉作用，comp点的电压会降低，控制芯片U3输出的PWM信号的占空比会降低，从Vin输出到Vo的能量会减少，输出电流会下降。电源提供的电流过小时，电压比较器U2的4脚输出的电压会升高，comp点的电压会升高，控制芯片U3输出的PWM信号的占空比会升高，从Vin输出到Vo的能量会增加，输出电流会升高；最终在稳定工作状态下，输出电流与电流基准的设定值是相等的。

其具体原理如下：U2是运算放大器，4脚是输出脚，在U2内部，4脚既有上拉电路，也有下拉电路。当3脚电压低于1脚时，4脚输出高电平(U2 内部的上拉电路开始工作)，电流从U2的4脚出来；当3脚电压高于1脚时， 4脚输出低电平(U2内部的下拉电路开始工作)，电流从4脚流入U2内部的下拉电路。在本专利中，直流高压的恒压功能是由R17、R18、U3、R19、C14实现的；直流高压的恒流功能由Rcs、U2、U4、R16、D2实现；当工作在恒流模式时，实际输出电压必定低于恒压值，Vcomp点被U3的内部电路上拉至高电平(比如说3V)；此时，U2的4脚的内部下拉电路工作，电流方向是 U3->Vcomp->D2->R16->U2，Vcomp的电压由U2、R16、D2决定，从而实现恒流控制。工作在恒压模式时，R17、R18、U3、R19、C14参与工作；工作在恒流模式时，U2、R16、D2才参与工作，而且电流方向是从 Vcomp->D2->R16->U2的。

实际应用中，通过单片机编程，设定好电流基准电压V_REF，通过上述分析过程，输出电流会与设定值相等。

漏电保护电路：整流桥的其中一个输出端接地，另一输出端通过一个信号滤波网络接地，信号滤波网络包括限流滤波电阻R13、滤波电容C11以及分压电阻R14，限流滤波电阻R13的一端连接主控电路(单片机U1)，另一端连接整流桥的所述另一输出端，限流滤波电阻R13的所述一端分别通过所述滤波电容C11以及所述分压电阻接地R14；在所述分压电阻的两端上还并接有一第一二极管，其中，第一二极管的阳极接地。限流滤波电阻R13、滤波电容C11 构成低通滤波器，限流滤波电阻R13与分压电阻R14构成分压电压，是的det 点处电压不至于过高。

L2是一个基于共模电感的漏电流检测变压器；正常工作时，电流从L2中间绕组的左端输入、右端输出，电流经过负载之后会从下方绕组的右端输入、左端输出，此时两个绕组的电流大小相等、方向相反，两个绕组在磁芯里产生的磁场也是大小相等、方向相反，因此变压器在磁芯中产生的磁场会相互抵消，变压器L2的上端绕组不会产生感应电压，det点的电压为0。

有漏电产生时，必然会有一部分电流从设备流出，这将导致流过变压器L2 中间绕组的电流与流过下方绕组的电流不相等，变压器L2磁芯里会有变化的磁场，L2上方绕组会感应出电压，该电压经过BR1后被整流成正值，并经过 R13和R14后形成det电压；因此，只要单片机检测到det有电压，说明漏电情况已经发生，此时单片机U1会在EN点输出低电平，控制芯片U3将停止输出，Vo将降低到36V以下。即使发生漏电情况，也能保证操作人员的安全。

参考图6，图6是本发明的具有恒压恒流的放电电路第四实施例的原理图，本实施例是在第三实施例的基础上进行改进的，在上述3部分电路中，均采用隔离措施。

在“第1部分电路”中，电路托扑结构从Boost更改为Flyback，同时采用隔离的光耦U5进行信号反馈；在“第2部分电路”中，采用隔离的光耦U7 进行信号反馈；在“第3部分电路”中，采用隔离的光耦U6进行信号反馈。虽然这3部分电路都增加了光耦反馈，电路似乎都做了更改，但核心技术点并没有改变，仍然是通过第2部分电路实现恒流控制，也是通过第3部分电路实现漏电保护，因此这个“稍加变化就能实现功能”的方法，也在本专利的权利要求书的范围之内。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种具有恒压恒流的放电电路，其特征在于，包括：

控制芯片；

功率电感，输入端连接电源输入端；

开关电路，开关控制端连接控制芯片以接受控制芯片的控制进行通断，其中一个开关连接端连接功率电感的输出端，另一开关连接端接地；

续流二极管，阳极连接功率电感的输出端，阴极形成一电源输出端，电源输出端用于给APGD激发源的输入端提供工作电源；

电压采样电路，采样连接端连接电源输出端，采样输出端连接至控制芯片；

电流采样电阻，一端接地，另一端用于与APGD激发源的输出端连接；

比较反馈电路，第一比较信号输入端连接至电流采样电阻的所述另一端，第二比较信号输入端连接基准电压，反馈信号输出端连接至控制芯片；

控制芯片根据电压采样电路与比较反馈电路传输过来的信号大小，产生控制信号控制开关电路的通断，以分别实现电压与电流的负反馈调节。

2.根据权利要求1所述的具有恒压恒流的放电电路，其特征在于，还包括：所述开关电路通过MOS管实现，MOS管的G极连接控制芯片的以接收所述控制信号，S极和D极中的其中一个连接功率电感的输出端，另一个接地。

3.根据权利要求1所述的具有恒压恒流的放电电路，其特征在于，在所述APGD激发源的输入端与电源输出端之间、所述APGD激发源的输出端和电流采样电阻之间分别连接有限流电阻。

4.根据权利要求1所述的具有恒压恒流的放电电路，其特征在于，所述电压采样电路包括串联的第一电阻和第二电阻，第一电阻的其中一端作为所述采样连接端，另一端连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端接地，第一电阻与第二电阻的连接处形成所述采样输出端。

5.根据权利要求1所述的具有恒压恒流的放电电路，其特征在于，还包括变压器以及主控电路，变压器有绕制在同一铁芯上的三个绕组，第一绕组和第二绕组相同，第一绕组串联在所述电源输出端与所述APGD激发源的输入端之间，第二绕组串联在所述APGD激发源的输出端与电流采样电阻之间，第三绕组的两个信号输出端通过整流桥电路后被主控电路接收，主控电路连接所述控制芯片以在整流桥电路传输过来的信号大于预设值时使得所述控制芯片控制开关电路做出漏电保护动作。

6.根据权利要求5所述的具有恒压恒流的放电电路，其特征在于，整流桥的其中一个输出端接地，另一输出端通过一个信号滤波网络接地，信号滤波网络包括限流滤波电阻、滤波电容以及分压电阻，限流滤波电阻的一端连接主控电路，另一端连接整流桥的所述另一输出端，限流滤波电阻的所述一端分别通过所述滤波电容以及所述分压电阻接地；在所述分压电阻的两端上还并接有一第一二极管，其中，第一二极管的阳极接地。

7.根据权利要求1所述的具有恒压恒流的放电电路，其特征在于，所述比较反馈电路包括一电压比较器、第二二极管、下拉电阻，电压比较器的反相输入端作为所述第一比较信号输入端，电压比较器的输出端依次串接所述下拉电阻、所述第二二极管的阴极、所述第二二极管的阳极、控制芯片。

8.根据权利要求7所述的具有恒压恒流的放电电路，其特征在于，所述控制芯片与第二二极管连接的那一端还通过环路稳定阻容网络接地。

9.根据权利要求7所述的具有恒压恒流的放电电路，其特征在于，所述电压比较器的输出端以及反相输入端直接还串联有用于稳定电源进行传输反馈的环路电感和电容。