CN112098694B - 一种高精度的安全直流高压源 - Google Patents

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Abstract

一种高精度的安全直流高压源，包括：壳体、直流供电模块、升压模块、控制器以及接线装置，直流供电模块、升压模块以及控制器均安装在壳体内，直流供电模块和升压模块均与控制器连接，直流供电模块与升压模块连接，接线装置安装在壳体上，升压模块与接线装置连接。本发明的有益效果为：通过直流供电确保输入电压精度和人工校准程序调整电压输出，提高高压源输出的精度；通过接线装置接线通电时推气板推动气流，消除高压产生的电火花，预防安全隐患，保障仪器精密度。

Description

一种高精度的安全直流高压源
技术领域
本发明涉及高压测量领域，尤其涉及到一种高精度的安全直流高压源。
背景技术
随着现代电子技术的发展，现代电子测量仪器与智能测量技术、计算机技术紧紧结合在一起。随着仪表工业的测量需求和精密测量技术的发展，直流电压的测量范围和测量精度都在不断提高，因此在电学计量领域，迫切需要高精度的高电压测量标准。而目前商品仪器中，高压电源的准确度和稳定度难以满足计量校准的需求。
如中国专利公开号为CN206461510U的一种可拓展高压直流发生器，提供了一种可拓展高压直流发生器，包括：驱动装置和至少两个直流发生模块；每个直流发生模块中包括旋转开关和传动轴；传动轴和选择开关连接，在该传动轴转动时，该旋转开关转动；该驱动装置和各直流发生模块中的传动轴连接，用于驱动该传动轴同步转动。简化了直流发生器的电路连接，增强了电源电压的利用率，灵活拓展更高压。然而，该专利对于高压电源输出的准确度并没有明显改进，在实际使用中仍有较大缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：目前高压源电压输出精度不高，提供了一种高精度的安全直流高压源。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：
一种高精度的安全直流高压源，包括：壳体、直流供电模块、升压模块、控制器以及接线装置，所述直流供电模块、升压模块以及控制器均安装在壳体内，所述直流供电模块和升压模块均与控制器连接，所述直流供电模块与升压模块连接，所述接线装置安装在壳体上，所述升压模块与接线装置连接。直流供电模块为升压模块供电能够提高高压源的精度，接线装置能够更好地连接负载，降低接线干扰，提高高压源精度。
作为优选，所述升压模块包括PWM控制单元、采样单元、反馈单元、整流滤波单元以及电子开关K1、K2，所述反馈单元和电子开关K1、K2均与PWM控制单元连接，所述反馈单元和整流滤波单元均与采样单元连接，所述整流滤波单元与电子开关K1、K2连接。PWM控制单元用以调节控制输出方波占空比来稳定输出电压，由于采用推挽式功率变换电路，在输入回路中仅有一个开关的通态压降，产生的通态损耗较小。
作为优选，所述PWM控制单元包括芯片U1、芯片U2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R15、变压器T1以及二极管D2，所述芯片U1的IN+引脚与反馈单元连接，所述芯片U1的OUT A引脚与电阻R5连接，所述电阻R5另一端经电子开关K2与变压器A输入端连接，所述芯片U1的OUT B引脚与电阻R6一端连接，所述电阻R6另一端经电子开关K1与变压器B输入端连接，所述变压器T1的抽头经电阻R15与电源VCC1连接，所述变压器T1的输出端与整流滤波单元连接，所述芯片U1的引脚经电阻R4接地，所述芯片U2的V+引脚经电阻R3与二极管D2的阳极连接，所述芯片U2的CMPout引脚与二极管D2的阳极连接，所述二极管D2的阴极与芯片U1的/>引脚连接。电子开关K1、K2通过PWM控制单元给出的交替的高低电平，控制导通和关闭，变压器T1可同时实现直流隔离和电压变换的功能。
作为优选，所述反馈单元包括放大器A1、二极管D1、电容C1、电容C2、电阻R1以及电阻R2，所述放大器A1的输出端与芯片U1的IN+引脚连接，所述放大器A1的同相输入端与采样单元连接，所述放大器A1的反向输入端与逆变器连接，所述二极管D1的阳极与放大器A1的同相输入端连接，所述二极管D1的阴极与电源VCC2连接，所述电容C1一端与放大器A1的输出端连接，所述电容C1另一端与放大器A1的同相输入端连接，所述电阻R1与电容C1并联，所述电容C2一端与电容C1连接，所述电容C2另一端与电阻R2一端连接，所述电阻R2另一端与电容C1连接。运算放大器使用mcp6002型号，反向端输入为模拟信号，正向端输入为采样电压信号，输出端连接芯片U1。
作为优选，所述采样单元包括电阻R12、电阻R13以及电阻R14，所述电阻R14一端经电阻R12与放大器A1的同相输入端连接，所述R14另一端与整流滤波单元连接，一端接地的所述电阻R13另一端与电阻R12靠近电阻R14的一端连接。
作为优选，所述电子开关K1包括MOS管Q1、电容C3、电阻R7、电阻R9，所述MOS管Q1的栅极与电阻R6连接，一端接地的所述电阻R7另一端与MOS管Q1的栅极连接，所述MOS管Q1的漏极与变压器T1的B输入端连接，所述电阻R9一端与MOS管Q1的源极连接并接地，所述电阻R9另一端经电容C3与MOS管Q1的漏极连接；所述电子开关K2包括MOS管Q2、电容C4、电阻R8、电阻R10，所述MOS管Q2的栅极经电阻R8接地，所述MOS管Q2的栅极与电阻R5连接，所述MOS管Q2的漏极与变压器T1的A输入端连接，所述电阻R10一端与MOS管Q2的源极连接并接地，所述电阻R10另一端经电容C4与MOS管Q2的漏极连接。由芯片U1产生两路反向方波来控制MOSFET的导通与关闭，MOSFET选用N沟道的IRF540N,MOSFET驱动采用推挽方式,在输入回路中仅有一个开关的通态压降，产生的通态损耗较小。
作为优选，所述整流滤波单元包括整流桥VD3、电感L1、电阻R11、电容C5以及电容C6，所述变压器T1的输出端与整流桥VD3输入端连接，所述电容C5一端和电感L1一端均与整流桥VD3的正极连接，所述电容C5另一端与整流桥VD3负极连接，所述电感L1另一端与电容C6连接，所述电阻R14另一端连接在电容C5和电感L1之间，所述电容C6与电容C5并联，所述电阻R11与电感L1连接。使用全桥整流，在滤波电容之前串接一个电感线圈，就组成LC平滑滤波电路，LC平滑滤波电路可有效减小输出电压的脉动程度，适用于电流较大、要求输出电压脉动很小的场合，或用于高频场合。
作为优选，所述接线装置包括导电筒和导体棒，所述导电筒与升压模块连接的一端作为连接端，所述导电筒远离升压模块的一端作为工作端，所述导电筒工作端设有盲孔，所述盲孔轴向设有第一触头，所述盲孔径向设有一对沿圆周对称的支持块，所述盲孔径向设有一对沿圆周对称的继电器，所述导电筒连接端内部设有导气孔，所述导气孔一端连接第一触头，所述导气孔另一端连接导电筒连接端的外壁，所述导体棒中端为伸缩杆，所述导体棒包括弹簧、第二触头以及推气板，所述弹簧一端固定在导体棒后端，所述弹簧另一端固定在导体棒前端，所述第二触头安装在导体棒尾端，所述推气板镶嵌在导体棒后端，所述推气板与盲孔内壁抵接，所述支持块位于推气板靠近弹簧的一端，所述继电器位于弹簧后端并与弹簧抵接。连接装置的工作原理为：非工作状态下，弹簧压缩，伸缩杆收缩，继电器卡住弹簧，支持块卡住推气板；工作状态下，继电器缩回，弹簧伸长，推气板向靠近第一触头方向推进，盲孔内产生气流，消除火花，气流通过导气孔排出。
作为优选，所述壳体包括按键和LCD显示屏，所述按键和LCD显示屏均与升压模块连接，所述按键包括输入按键、校准按键、上调按键以及下调按键。
本发明的有益效果为：通过直流供电确保输入电压精度和人工校准程序调整电压输出，提高高压源输出的精度；通过接线装置接线通电时推气板推动气流，消除高压产生的电火花，预防安全隐患，保障仪器精密度。
附图说明
图1为高压源的布局图。
图2为升压模块的原理图。
图3为升压模块的布局图。
图4为接线装置的轴截面图。
其中：1.导电筒、2.导体棒、3.导气孔、4.第一触头、5.第二触头、6.推气板、7.支持块、8.继电器、9.弹簧、100.直流供电模块、200.接线装置、300.升压模块、400.控制器、500.壳体、600.PWM控制单元、700.采样单元、800.反馈单元、900.整流滤波单元、1000.电子开关。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
实施例一：
一种高精度的安全直流高压源，如图1所示，包括：壳体500、直流供电模块100、升压模块300、控制器400以及接线装置200，直流供电模块100、升压模块300以及控制器400均安装在壳体500内，直流供电模块100和升压模块300均与控制器400连接，直流供电模块100与升压模块300连接，接线装置安装在壳体500上，升压模块300与接线装置连接。直流供电模块100为升压模块300供电能够提高高压源的精度，接线装置200能够更好地连接负载，降低接线干扰，提高高压源精度。
如图2所示，升压模块300包括PWM控制单元600、采样单元700、反馈单元800、整流滤波单元900以及电子开关1000K1、K2，反馈单元800和电子开关1000K1、K2均与PWM控制单元600连接，反馈单元800和整流滤波单元900均与采样单元700连接，整流滤波单元900与电子开关1000K1、K2连接。PWM控制单元600用以调节控制输出方波占空比来稳定输出电压，由于采用推挽式功率变换电路，在输入回路中仅有一个开关的通态压降，产生的通态损耗较小。
如图3所示，PWM控制单元600包括芯片U1、芯片U2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R15、变压器T1以及二极管D2，芯片U1型号为SG3525，芯片U2型号为INA201。芯片U1的IN+引脚与反馈单元800连接，芯片U1的OUT A引脚与电阻R5连接，电阻R5另一端经电子开关1000K2与变压器A输入端连接，芯片U1的OUT B引脚与电阻R6一端连接，电阻R6另一端经电子开关1000K1与变压器B输入端连接，变压器T1的抽头经电阻R15与电源VCC1连接，变压器T1的输出端与整流滤波单元900连接，芯片U1的引脚经电阻R4接地，芯片U2的V+引脚经电阻R3与二极管D2的阳极连接，芯片U2的CMPout引脚与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极与芯片U1的/>引脚连接。电子开关1000K1、K2通过PWM控制单元600给出的交替的高低电平，控制导通和关闭，变压器T1可同时实现直流隔离和电压变换的功能。芯片U1型号为SG3525，芯片U2型号为INA201。
反馈单元800包括放大器A1、二极管D1、电容C1、电容C2、电阻R1以及电阻R2，放大器A1的输出端与芯片U1的IN+引脚连接，放大器A1的同相输入端与采样单元700连接，放大器A1的反向输入端与逆变器连接，二极管D1的阳极与放大器A1的同相输入端连接，二极管D1的阴极与电源VCC2连接，电容C1一端与放大器A1的输出端连接，电容C1另一端与放大器A1的同相输入端连接，电阻R1与电容C1并联，电容C2一端与电容C1连接，电容C2另一端与电阻R2一端连接，电阻R2另一端与电容C1连接。运算放大器使用mcp6002型号，反向端输入为模拟信号，正向端输入为采样电压信号，输出端连接芯片U1。
采样单元700包括电阻R12、电阻R13以及电阻R14，电阻R14一端经电阻R12与放大器A1的同相输入端连接，R14另一端与整流滤波单元900连接，一端接地的电阻R13另一端与电阻R12靠近电阻R14的一端连接。
电子开关1000K1包括MOS管Q1、电容C3、电阻R7、电阻R9，MOS管Q1的栅极与电阻R6连接，一端接地的电阻R7另一端与MOS管Q1的栅极连接，MOS管Q1的漏极与变压器T1的B输入端连接，电阻R9一端与MOS管Q1的源极连接并接地，电阻R9另一端经电容C3与MOS管Q1的漏极连接；电子开关1000K2包括MOS管Q2、电容C4、电阻R8、电阻R10，MOS管Q2的栅极经电阻R8接地，MOS管Q2的栅极与电阻R5连接，MOS管Q2的漏极与变压器T1的A输入端连接，电阻R10一端与MOS管Q2的源极连接并接地，电阻R10另一端经电容C4与MOS管Q2的漏极连接。由芯片U1产生两路反向方波来控制MOSFET的导通与关闭，MOSFET选用N沟道的IRF540N,MOSFET驱动采用推挽方式,在输入回路中仅有一个开关的通态压降，产生的通态损耗较小。
整流滤波单元900包括整流桥VD3、电感L1、电阻R11、电容C5以及电容C6，变压器T1的输出端与整流桥VD3输入端连接，电容C5一端和电感L1一端均与整流桥VD3的正极连接，电容C5另一端与整流桥VD3负极连接，电感L1另一端与电容C6连接，电阻R14另一端连接在电容C5和电感L1之间，电容C6与电容C5并联，电阻R11与电感L1连接。使用全桥整流，在滤波电容之前串接一个电感线圈，就组成LC平滑滤波电路，LC平滑滤波电路可有效减小输出电压的脉动程度，适用于电流较大、要求输出电压脉动很小的场合，或用于高频场合。
如图4所示，接线装置包括导电筒1和导体棒2，导电筒1与升压模块300连接的一端作为连接端，导电筒1远离升压模块300的一端作为工作端，导电筒1工作端设有盲孔，盲孔轴向设有第一触头4，盲孔径向设有一对沿圆周对称的支持块7，盲孔径向设有一对沿圆周对称的继电器8，导电筒1连接端内部设有导气孔3，导气孔3一端连接第一触头4，导气孔3另一端连接导电筒1连接端的外壁，导体棒2中端为伸缩杆，导体棒2包括弹簧9、第二触头5以及推气板6，弹簧9一端固定在导体棒2后端，弹簧9另一端固定在导体棒2前端，第二触头5安装在导体棒2尾端，推气板6镶嵌在导体棒2后端，推气板6与盲孔内壁抵接，支持块7位于推气板6靠近弹簧9的一端，继电器8位于弹簧9后端并与弹簧9抵接。连接装置的工作原理为：非工作状态下，弹簧9压缩，伸缩杆收缩，因不通电，继电器8卡住弹簧9，支持块7卡住推气板6；工作状态情况下，因通电，继电器8缩回，弹簧9伸长，推气板6向靠近第一触头4方向推进，盲孔内产生气流，消除火花，气流通过导气孔3排出。
壳体500包括按键和LCD显示屏，按键和LCD显示屏均与升压模块300连接，按键包括输入按键、校准按键、上调按键以及下调按键，上调按键为加一，下调按键为减一。
电压输出执行以下步骤：
高压源根据输入按键设置的所需电压输出，输出实时电压并推送至LCD显示屏；人工观看LCD显示屏输出电压数据，判断是否需要进行校准；
通过按下校准按键，高压源进入校准状态；
根据实际输出电压与理论输出电压的偏差，人工上调或下调输出电压；按下上调按键，则输出电压加一，按下下调按键，则输出电压减一；
人工再次按下校准按键，校准结束。若不需要校准，则连按两下校准按键即可。
本发明的有益效果为：通过直流供电确保输入电压精度和人工校准程序调整电压输出，提高高压源输出的精度；通过接线装置接线通电时推气板推动气流，消除高压产生的电火花，预防安全隐患，保障仪器精密度。
以上的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (8)

1.一种高精度的安全直流高压源，其特征在于，包括：壳体、直流供电模块、升压模块、控制器以及接线装置，所述直流供电模块、升压模块以及控制器均安装在壳体内，所述直流供电模块和升压模块均与控制器连接，所述直流供电模块与升压模块连接，所述接线装置安装在壳体上，所述升压模块与接线装置连接；
所述接线装置包括导电筒和导体棒，所述导电筒与升压模块连接的一端作为连接端，所述导电筒远离升压模块的一端作为工作端，所述导电筒工作端设有盲孔，所述盲孔轴向设有第一触头，所述盲孔径向设有一对沿圆周对称的支持块，所述盲孔径向设有一对沿圆周对称的继电器，所述导电筒连接端内部设有导气孔，所述导气孔一端连接第一触头，所述导气孔另一端连接导电筒连接端的外壁，所述导体棒中端为伸缩杆，所述导体棒包括弹簧、第二触头以及推气板，所述弹簧一端固定在导体棒后端，所述弹簧另一端固定在导体棒前端，所述第二触头安装在导体棒尾端，所述推气板镶嵌在导体棒后端，所述推气板与盲孔内壁抵接，所述支持块位于推气板靠近弹簧的一端，所述继电器位于弹簧后端并与弹簧抵接。
2.根据权利要求1所述的高精度的安全直流高压源，其特征在于，所述升压模块包括PWM控制单元、采样单元、反馈单元、整流滤波单元以及电子开关K1、K2，所述反馈单元和电子开关K1、K2均与PWM控制单元连接，所述反馈单元和整流滤波单元均与采样单元连接，所述整流滤波单元与电子开关K1、K2连接。
3.根据权利要求2所述的高精度的安全直流高压源，其特征在于，所述PWM控制单元包括芯片U1、芯片U2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R15、变压器T1以及二极管D2，所述芯片U1的IN+引脚与反馈单元连接，所述芯片U1的OUT A引脚与电阻R5连接，所述电阻R5另一端经电子开关K2与变压器A输入端连接，所述芯片U1的OUT B引脚与电阻R6一端连接，所述电阻R6另一端经电子开关K1与变压器B输入端连接，所述变压器T1的抽头经电阻R15与电源VCC1连接，所述变压器T1的输出端与整流滤波单元连接，
所述芯片U1引脚经电阻R4接地，所述芯片U2的V+引脚经电阻R3与二极管D2的阳极连接，所述芯片U2的CMPout引脚与二极管D2的阳极连接，所述二极管D2的阴极与芯片U1/>引脚连接。
4.根据权利要求3所述的高精度的安全直流高压源，其特征在于，所述反馈单元包括放大器A1、二极管D1、电容C1、电容C2、电阻R1以及电阻R2，所述放大器A1的输出端与芯片U1的IN+引脚连接，所述放大器A1的同相输入端与采样单元连接，所述放大器A1的反向输入端与逆变器连接，所述二极管D1的阳极与放大器A1的同相输入端连接，所述二极管D1的阴极与电源VCC2连接，所述电容C1一端与放大器A1的输出端连接，所述电容C1另一端与放大器A1的同相输入端连接，所述电阻R1与电容C1并联，所述电容C2一端与电容C1连接，所述电容C2另一端与电阻R2一端连接，所述电阻R2另一端与电容C1连接。
5.根据权利要求4所述的高精度的安全直流高压源，其特征在于，所述采样单元包括电阻R12、电阻R13以及电阻R14，所述电阻R14一端经电阻R12与放大器A1的同相输入端连接，所述电阻R14另一端与整流滤波单元连接，一端接地的所述电阻R13另一端与电阻R12靠近电阻R14的一端连接。
6.根据权利要求5所述的高精度的安全直流高压源，其特征在于，所述电子开关K1包括MOS管Q1、电容C3、电阻R7、电阻R9，所述MOS管Q1的栅极与电阻R6连接，一端接地的所述电阻R7另一端与MOS管Q1的栅极连接，所述MOS管Q1的漏极与变压器T1的B输入端连接，所述电阻R9一端与MOS管Q1的源极连接并接地，所述电阻R9另一端经电容C3与MOS管Q1的漏极连接；所述电子开关K2包括MOS管Q2、电容C4、电阻R8、电阻R10，所述MOS管Q2的栅极经电阻R8接地，所述MOS管Q2的栅极与电阻R5连接，所述MOS管Q2的漏极与变压器T1的A输入端连接，所述电阻R10一端与MOS管Q2的源极连接并接地，所述电阻R10另一端经电容C4与MOS管Q2的漏极连接。
7.根据权利要求6所述的高精度的安全直流高压源，其特征在于，所述整流滤波单元包括整流桥VD3、电感L1、电阻R11、电容C5以及电容C6，所述变压器T1的输出端与整流桥VD3输入端连接，所述电容C5一端和电感L1一端均与整流桥VD3的正极连接，所述电容C5另一端与整流桥VD3负极连接，所述电感L1另一端与电容C6连接，所述电阻R14另一端连接在电容C5和电感L1之间，所述电容C6与电容C5并联，所述电阻R11与电感L1连接。
8.根据权利要求1-7任一项所述的高精度的安全直流高压源，其特征在于，所述壳体包括按键和LCD显示屏，所述按键和LCD显示屏均与升压模块连接，所述按键包括输入按键、校准按键、上调按键以及下调按键。
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