CN113162398B - 一种变压器的直流电压传递方法 - Google Patents

一种变压器的直流电压传递方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种变压器的直流电压传递方法，其包括对输入的直流恒压信号进行信号调制，将调制后的第一直流脉动信号输入变压器的初级线圈，将第一直流脉动信号按等匝数比感应传递至变压器的次级线圈，使变压器输出的电压信号为第二直流脉动信号，将输出的第二直流脉动信号执行解调制后得到趋近平滑的直流恒压输出信号。应用本发明能够以较为经济的方式获取多基准电压来保障其实现高精密度以及高准确度，输出的多路基准电压稳定且可控，具有显著的应用推广价值。

Description

一种变压器的直流电压传递方法
技术领域
本发明涉及高精度测量技术领域，尤其涉及一种变压器的直流电压传递方法。
背景技术
在日常的校准工作中，比较容易获得稳定的直流电压基准有fluke732系列的10V(DC)基准。但是要获得低于10V的基准电压则通常需要利用精密电阻组成电路实现分压，或者利用fluke720A获得，而前者依赖精密电阻和电路的准确性、稳定性以及加工工艺水准，后者则并不属于可集成组装元器件或可嵌入式模块级别，使用麻烦，不易实现。
另外，两者都无法提供比原基准电压更精准的基准电压，而且成本造价昂贵，并非经济合理之选。
因此，一个不依赖电阻以及运放器件精准性和稳定性的，能同样提供高线性度升压、降压的多基准电压的设计就是一件很有价值的事，将很进一步从设计原理上减少仪器仪表的测量系统误差，保障仪器仪表的精准可靠性能，极大程度推动现代仪器仪表制造业的发展，具有显著的社会效益和经济效益。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种以较为经济的方式获取多基准电压来保障其实现高精密度以及高准确度的变压器的直流电压传递方法。
为了实现上述主要目的，本发明提供的一种变压器的直流电压传递方法，包括对输入的直流恒压信号进行信号调制；将调制后的第一直流脉动信号输入变压器的初级线圈；将第一直流脉动信号按等匝数比感应传递至变压器的次级线圈，使变压器输出的电压信号为第二直流脉动信号，将输出的第二直流脉动信号执行解调制后得到趋近平滑的直流恒压输出信号。
进一步的方案中，对于直流恒压信号的信号调制，以基准直流电压的正负幅值或者正零幅值的方式施加到变压器的初级线圈。
更进一步的方案中，通过开关SW1的周期性闭合为变压器的初级线圈提供周期性直流脉动信号，其中，当开关SW1闭合断开的频率达到预设值范围内，变压器的初级线圈感应到变化的电压信号激励正常工作，并按等匝数比将直流脉动信号感应传递至变压器的次级线圈。
更进一步的方案中，根据建立的电路分析模型进行信号暂态过程分析，在开关SW1闭合断开的一个整周期内，当开关SW1闭合时，一次侧回路形成，变压器的初级线圈将产生感应电流i；当开关SW1断开时，无信号源，变压器的初级线圈电磁感应消失；对变压器的初级线圈在单位整周期内开关SW1闭合阶段产生的感应电流进行暂态计算分析，如公式(6)：
Figure BDA0003048256140000021
其中，V为直流恒压信号；i为经过变压器初级线圈的电流；R为变压器初级线圈内阻；L1为变压器初级线圈电感；t为时间。
更进一步的方案中，根据建立的电路分析模型，变压器次级线圈输出的电压信号为公式(7)：
Figure BDA0003048256140000022
其中，Vout为变压器输出电压；m为磁芯耦合系数；N1、N2分别为初级线圈与次级线圈匝数。
更进一步的方案中，选择高磁导率材料绕制的磁芯来制作变压器。
更进一步的方案中，在选用高磁导率材料绕制的磁芯来制作变压器并完成加工工艺后，确定变压器的耦合系数、匝数比，公式(7)中
Figure BDA0003048256140000023
令为常数K，公式(7)可简化为公式(8)：
Figure BDA0003048256140000024
更进一步的方案中，假设开关SW1闭合断开的频率为1kHz，即单位整周期时长为1ms，假设在单位整周期中，开关SW1闭合与开关SW1断开的时间皆为0.5ms，则定义变压器的初级线圈在单位整周期内开关SW1闭合阶段的分析时间范围为(0～0.5)ms。
更进一步的方案中，使得公式(8)中的
Figure BDA0003048256140000031
得出指数函数e-2t，根据分析时间内指数函数引入的最大相对误差，对建立的电路分析模型进行仿真分析，得到变压器次级线圈输出的电压信号。
更进一步的方案中，在对输入的直流恒压信号进行信号调制之前，建立电路分析模型，电路分析模型包括开关SW1、变压器、连接在变压器初级线圈的电阻R，以及连接在变压器次级线圈的整流滤波电路、输出侧阻抗，其中，整流滤波电路包括电容C1、电阻R1以及电容C2。
由此可见，本发明利用变压器提出一种基于方波调制解调的直流电压传递方法，使变压器输出的信号为直流脉动信号，将该信号经过由电阻或二极管以及滤波电容等组成的滤波稳压整流电路的解调制，变成平滑的趋近为直流恒压输出信号。
所以，本发明变压器通过优化改良变成一个线性度高的理想分压器件，设计了利用变压器实现基准电压传递的配套电路模块，并对输出的多个基准电压进行了校准测试与分析，改良后的变压器可以输出多路基准电压稳定(长期线性度好)，且电压比与匝数成正比，输出的多路基准电压可控，不像分压电阻会受老化和温度影响且成本更高，变压器所有传递的基准电压线性度均达到1ppm，符合设计预期，具有显著的应用推广价值。
附图说明
图1是本发明一种变压器的直流电压传递方法实施例的流程图。
图2是本发明一种变压器的直流电压传递方法实施例的原理图。
图3是本发明一种变压器的直流电压传递方法实施例中电路分析模型的电路原理图。
图4是本发明一种变压器的直流电压传递方法实施例中指数函数e-2t的曲线图。
图5是本发明一种变压器的直流电压传递方法实施例中变压器输出电压信号的仿真原理图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本发明的一种变压器的直流电压传递方法，包括以下步骤：
步骤S1、对输入的直流恒压信号进行信号调制。
步骤S2、将调制后的第一直流脉动信号输入变压器的初级线圈。
步骤S3、将第一直流脉动信号按等匝数比感应传递至变压器的次级线圈，使变压器输出的电压信号为第二直流脉动信号，将输出的第二直流脉动信号执行解调制后得到趋近平滑的直流恒压输出信号。
其中，为了使直流信号通过变压器，必须对直流恒压信号进行调制，变成直流脉动信号后通过变压器，再通过滤波稳压等整流电路转换为直流恒压信号，如图2所示。
进一步的，对于直流恒压信号的信号调制，以基准直流电压的正负幅值或者正零幅值的方式施加到变压器的初级线圈。可见，本实施例对于直流恒压信号的调制，无论是方波调制还是三角波调制，或者其他调制方式，原理上都是以基准直流电压的正负幅值或者正零幅值的方式加到变压器的初级，参见图2，图2为发明提供的简易方波调制电路分析模型。
进一步的，通过开关SW1的周期性闭合为变压器的初级线圈提供周期性直流脉动信号，其中，当开关SW1闭合断开的频率达到预设值范围内，变压器的初级线圈感应到变化的电压信号激励正常工作，并按等匝数比将直流脉动信号感应传递至变压器的次级线圈。
进一步的，根据建立的电路分析模型进行信号暂态过程分析，在开关SW1闭合断开的一个整周期内，当开关SW1闭合时，一次侧回路形成，变压器的初级线圈将产生感应电流i；当开关SW1断开时，无信号源，变压器的初级线圈电磁感应消失；对变压器的初级线圈在单位整周期内开关SW1闭合阶段产生的感应电流进行暂态计算分析，如公式(6)：
Figure BDA0003048256140000051
其中，V为直流恒压信号；i为经过变压器初级线圈的电流；R为变压器初级线圈内阻；L1为变压器初级线圈电感；t为时间。
具体的，如图3所示，变压器的输出侧阻抗RLOAD应相当大，可视作开路运行，或者连接输入阻抗可高达GΩ级别的万用表测量端子。开关SW1的周期性闭合将为变压器初级线圈提供周期直流脉动信号，当开关SW1闭合断开的频率足够大，变压器感应到变化的电压信号激励将正常工作，按等匝比将直流脉动信号感应传递至次级线圈。
在本实施例中，对电路分析模型进行信号暂态过程分析，在开关SW1闭合断开的一个整周期内，当开关SW1闭合时，一次侧回路形成，变压器的初级线圈将产生感应电流i；当开关SW1断开时，无信号源，电磁感应消失。现对变压器的初级线圈在单位整周期内开关闭合阶段(分析时间)产生的感应电流展开具体的暂态计算分析，如公式(1)：
Figure BDA0003048256140000052
式中：V为直流恒压信号；i为经过初级线圈的电流；R为初级线圈内阻；L1为初级线圈电感；t为时间。
为了方便积分，将公式(1)改写为公式(2)：
Figure BDA0003048256140000053
等式两边积分可写为公式(3)：
Figure BDA0003048256140000054
公式(3)的左边可以计算为公式(4)：
Figure BDA0003048256140000055
公式(4)的右边可以计算为公式(5)：
Figure BDA0003048256140000061
公式(4)、公式(5)代入公式(3)进行整理，可以得到公式(6)：
Figure BDA0003048256140000062
进一步的，根据建立的电路分析模型，变压器次级线圈输出的电压信号为公式(7)：
Figure BDA0003048256140000063
其中，Vout为变压器输出电压；m为磁芯耦合系数；N1、N2分别为初级线圈与次级线圈匝数。
进一步的，选择高磁导率材料绕制的磁芯来制作变压器。
进一步的，在选用高磁导率材料绕制的磁芯来制作变压器并完成加工工艺后，确定变压器的耦合系数、匝数比，公式(7)中
Figure BDA0003048256140000064
令为常数K，公式(7)可简化为公式(8)：
Figure BDA0003048256140000065
进一步的，假设开关SW1闭合断开的频率为1kHz，即单位整周期时长为1ms，假设在单位整周期中，开关SW1闭合与开关SW1断开的时间皆为0.5ms，则定义变压器的初级线圈在单位整周期内开关SW1闭合阶段的分析时间范围为(0～0.5)ms。
进一步的，使得公式(8)中的
Figure BDA0003048256140000066
得出指数函数e-2t，根据分析时间内指数函数引入的最大相对误差，对建立的电路分析模型进行仿真分析，得到变压器次级线圈输出的电压信号。
进一步的，在对输入的直流恒压信号进行信号调制之前，建立电路分析模型，电路分析模型包括开关SW1、变压器、连接在变压器初级线圈的电阻R，以及连接在变压器次级线圈的整流滤波电路、输出侧阻抗，其中，整流滤波电路包括电容C1、电阻R1以及电容C2。
具体的，根据电路分析模型，变压器二次侧的输出电压信号为公式(7)：
Figure BDA0003048256140000071
式中：Vout为变压器输出电压；m为磁芯耦合系数；N1、N2分别为初级线圈与次级线圈匝数。
任何磁芯材料都存在磁滞损耗、涡流损耗以及漏感，导致一次侧能量传递给二次侧有损失，因此耦合系数m<1。软磁材料的磁滞损耗和涡流损耗很小可以忽略不计，漏感是耦合系数达不到1的主要原因。对于一个相对磁导率为104的磁性材料紧密绕制的线圈，至少有0.01％的磁力线未经过铁芯而是经过铁芯之外的空气，因此需要选择较高相对磁导率材料，例如微晶材料、纳晶材料等绕制的磁芯来制作变压器。其中，高磁导率材料的选择可以提高耦合系数接近1，将误差控制在ppm级别。
一旦选定材质并完成加工工艺，耦合系数、匝数比就已确定，公式(7)中
Figure BDA0003048256140000072
可令为常数K，公式(7)可简化为公式(8)：
Figure BDA0003048256140000073
可以发现经过变压器后的输出电压在规定的分析时间内并不是输入电压的线性传递信号，为了使信号传递线性度尽可能高，使分析时间内的指数函数
Figure BDA0003048256140000074
尽可能趋近于1。
假设开关SW1闭合断开的频率为1kHz，即单位整周期时长为1ms，又假设在单位整周期中，开关闭合与开关断开的时间皆为0.5ms，则定义的“分析时间”范围为(0～0.5)ms。
当选材、调试使得
Figure BDA0003048256140000075
对指数函数e-2t作曲线图，如图4所示。
由图4可得，分析时间内指数函数引入的最大相对误差有0.1％，将电路分析模型进行仿真分析，得到变压器输出电压信号仿真图，如图5所示。
在本实施例中，从图5中找出分析时间内的输出电压差值最大的两点，可以看出起始电压输出值为0.99995V，0.5ms后输出值变为0.998951V，计算相对误差同样为0.1％，仿真结果与理论分析结果一致。在实际应用中，当选择高频开关元器件实现电路方波调制，例如选择开关频率为1MHz的高频开关，同理分析或测试，相对误差就可控制在0.0001％(1ppm)的水平。
由此可见，本发明利用变压器提出一种基于方波调制解调的直流电压传递方法，使变压器输出的信号为直流脉动信号，将该信号经过由电阻或二极管以及滤波电容等组成的滤波稳压整流电路的解调制，变成平滑的趋近为直流恒压输出信号。
所以，本发明变压器通过优化改良变成一个线性度高的理想分压器件，设计了利用变压器实现基准电压传递的配套电路模块，并对输出的多个基准电压进行了校准测试与分析，改良后的变压器可以输出多路基准电压稳定(长期线性度好)，且电压比与匝数成正比，输出的多路基准电压可控，不像分压电阻会受老化和温度影响且成本更高，变压器所有传递的基准电压线性度均达到1ppm，符合设计预期，具有显著的应用推广价值。。
需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种变压器的直流电压传递方法，其特征在于，包括：
对输入的直流恒压信号进行信号调制；
将调制后的第一直流脉动信号输入变压器的初级线圈；
将第一直流脉动信号按等匝数比感应传递至变压器的次级线圈，使变压器输出的电压信号为第二直流脉动信号，将输出的第二直流脉动信号执行解调制后得到趋近平滑的直流恒压输出信号；
对于直流恒压信号的信号调制，以基准直流电压的正负幅值或者正零幅值的方式施加到变压器的初级线圈；
通过开关SW1的周期性闭合为变压器的初级线圈提供周期性直流脉动信号，其中，当开关SW1闭合断开的频率达到预设值范围内，变压器的初级线圈感应到变化的电压信号激励正常工作，并按等匝数比将直流脉动信号感应传递至变压器的次级线圈；
在对输入的直流恒压信号进行信号调制之前，建立电路分析模型，电路分析模型包括开关SW1、变压器、连接在变压器初级线圈的电阻R，以及连接在变压器次级线圈的整流滤波电路、输出侧阻抗，其中，整流滤波电路包括电容C1、电阻R1以及电容C2；
根据建立的电路分析模型进行信号暂态过程分析，在开关SW1闭合断开的一个整周期内，当开关SW1闭合时，一次侧回路形成，变压器的初级线圈将产生感应电流i；当开关SW1断开时，无信号源，变压器的初级线圈电磁感应消失；
对变压器的初级线圈在单位整周期内开关SW1闭合阶段产生的感应电流进行暂态计算分析，如公式(1)：
Figure FDA0003807322370000011
式中：V为直流恒压信号；i为经过初级线圈的电流；R为初级线圈内阻；L1为初级线圈电感；t为时间；
将公式(1)改写为公式(2)：
Figure FDA0003807322370000021
等式两边积分可写为公式(3)：
Figure FDA0003807322370000022
公式(3)的左边可以计算为公式(4)：
Figure FDA0003807322370000023
公式(4)的右边可以计算为公式(5)：
Figure FDA0003807322370000024
公式(4)、公式(5)代入公式(3)进行整理，可以得到公式(6)：
Figure FDA0003807322370000025
其中，V为直流恒压信号；i为经过变压器初级线圈的电流；R为变压器初级线圈内阻；L1为变压器初级线圈电感；t为时间；
根据建立的电路分析模型，变压器次级线圈输出的电压信号为公式(7)：
Figure FDA0003807322370000026
其中，Vout为变压器输出电压；m为磁芯耦合系数；N1、N2分别为初级线圈与次级线圈匝数；
选择高磁导率材料绕制的磁芯来制作变压器；
在选用高磁导率材料绕制的磁芯来制作变压器并完成加工工艺后，确定变压器的耦合系数、匝数比，公式(7)中
Figure FDA0003807322370000027
令为常数K，公式(7)可简化为公式(8)：
Figure FDA0003807322370000028
假设开关SW1闭合断开的频率为1kHz，即单位整周期时长为1ms，假设在单位整周期中，开关SW1闭合与开关SW1断开的时间皆为0.5ms，则定义变压器的初级线圈在单位整周期内开关SW1闭合阶段的分析时间范围为(0～0.5)ms；
使得公式(8)中的
Figure FDA0003807322370000031
得出指数函数e-2t，根据分析时间内指数函数引入的最大相对误差，对建立的电路分析模型进行仿真分析，得到变压器次级线圈输出的电压信号。
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