CN201051717Y - 无触点二进制变压器调压电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及的是一种无触点二进制变压器调压电源，属于电子电器技术，该技术可以用于振动样品磁强计(简称：VSM)上使用的《大功率扫描电源》。它适合于自动、快速、较精密、可计算机控制的用二进制变压器的电压调节，如：线圈和电磁铁磁场稳定调节、交流电的稳压等。包括中央处理器CPU、过零信号检测电路、电源监测和存储器、反馈信号电路、互锁触发信号的产生电路、驱动单元电路、可控硅阵列电路、直流输出正负切换电路、直流输出整流滤波电路、串行接口电路；中央处理器CPU采用单片计算机，是由一片MCS51型的单片计算机来操作、逻辑控制的；过零信号电路，前与交流电源相连接，后与中央处理器CPU中断引脚相连接。

Description

无触点二进制变压器调压电源

技术领域

本实用新型涉及的是一种无触点二进制变压器调压电源，属于电子电器技术，该技术可以用于振动样品磁强计(简称：VSM)上使用的《大功率扫描电源》。它适合于自动、快速、较精密、可计算机控制的用二进制变压器的电压调节，如：线圈和电磁铁磁场稳定调节、交流电的稳压等。

背景技术

目前，二进制变压器调压是用的继电器结构，它优点是无须手动、调节范围较大、精度也较细；缺点是1、调节速度慢，因为是继电器切换，过渡时间相比无触点电路，要长的多。由其是功率型继电器的切换更慢，一般都在毫秒级甚至于秒级；2、有断电点，触点跳变，路过当中的行程必然会有一瞬间断电过程；3、机械触点间易产生火花拉弧，使得设备干扰大、控制复杂。

发明内容

本发明目的是针对上述不足之处，提供了一种无触点二进制变压器调压电源，解决了大功率扫描电源的特殊要求：

1、功率大、控制要求严密。VSM系统在电磁铁上的功率是3KW-15KW，大电流、低中高压都有，功率和本身功耗都很大。后端扫描电源相当于本电源的负载，好的、高级的一些扫描电源是高压大电流恒流源，为了它的工作，需要前端电源提供的电压电流跟踪扫描电源的工作状态；

2、调节跟踪速度要求快。因为扫描电源的工作状态是动态的，即电流、电压是不断变化着，所以无触点二进制变压器调压电源的输出要随着负载的变化而跟踪、调节输出；

3、本实用新型无触点二进制变压器调压电源可以通过计算机操作、联机，并与系统所有的机器共同受计算机操作控制。

无触点二进制变压器调压电源是采取以下方案实现：

无触点二进制变压器调压电源包括中央处理器CPU、过零信号检测电路、电源监测(看门狗)和存储器(串行EEPROM)、反馈信号电路、互锁触发信号的产生电路、驱动单元电路、可控硅阵列电路、直流输出正负切换电路、直流输出整流滤波电路、串行接口电路。

中央处理器CPU采用单片计算机，是由一片MCS51型的单片计算机来操作、逻辑控制的，将需要的状态、条件、目的等编为程序输入至单片机程序存储器中，再由单片机自动控制。

过零信号电路，前与交流电源相连接，后与中央处理器CPU中断引脚相连接。过零信号电路采用CA3059可控硅触发集成块，交流信号由信号输入端输入，驱动输出接中央处理器CPU中断引脚，该芯片不但有过零信号电路，也包含了驱动电路(见下面驱动单元电路)。

反馈信号电路包括A/D转换器、直流输出正负电压信号反馈电路。A/D转换器，前接负载监测端，后接中央处理器CPU输入端口。它测量负载或后面需监测、控制的电压，转换成数字反馈信号给中央处理器CPU，与输出形成闭合链的方式。反馈信号电路芯片采用ADC系列，如ADC0805。

直流输出正负切换电路反馈信号是用在直流负载的情况下，前接负载，后接中央处理器CPU输入端。将负载或后面需监测、控制的正负电压信号，通过隔离转输给中央处理器CPU，采用数显表头集成电路ICL7107等，取它的正负信号通过光耦隔离(如用4N25)转输至中央处理器CPU。

电源监测(看门狗)和存储器(串行EEPROM)：电源监测(看门狗)前接中央处理器CPU工作电源正端，后接CPU的复位端(RST脚)；存储器(串行EEPROM)数据线接中央处理器CPU的输入/输出(I/O口)端。

互锁触发信号的产生电路：互锁的单元组信号，前接中央处理器CPU输出端口，后接驱动单元。中央处理器CPU输出的数字调压信号，经过数字电路或可编程逻辑器件，转换成每组只能是(1，0)或(0，1)的互锁信号，1代表可控硅导通，0代表可控硅截止，同组可控硅(相当于一组继电器的常闭、常开触点)不可能同时导通。

驱动单元电路设有若干组，上接互锁触发信号的输出端，下接可控硅阵列中的大可控硅触发端，提供一定功率、带相位的触发信号至大可控硅触发端。

可控硅阵列电路包括大功率变压器、若干个大功率可控硅。原理图为附图二，交流电输入至大功率变压器，大功率变压器有多组输出，每组输出接一组二只可控硅，多组形成一可控硅阵列，也是机器整体交流电的输入、切换、交流电的输出，每组可控硅的触发端G+、G-接驱动单元电路。

直流输出正负切换电路，与中央处理器CPU信号输出端相接，中央处理器CPU提供控制信号输入直流输出正负切换电路，前后接直流输出整流滤波电路。直流输出正负切换电路采用ULN2003集成块或驱动三极管S8050等。由中央处理器CPU得到的正负信号要求，输出控制信号，使继电器、可控硅切换直流的正负向。

直流输出整流滤波电路包括整流电路、滤波电路。整流电路采用大功率桥式整流模块，滤波电路采用大容量电介电容。

串行接口电路采用中央处理器CPU串行接口，CPU的RXD、TXD脚输出，232口用max232等芯片、485口用max1487等芯片，与外部仪器、设备、计算机等联机。

工作原理如下：

继电器和无触点两种二进制变压器调压的控制方式是有很大区别的，这是本技术能够实现，并应用到实际当中的关键。继电器二进制变压器调压用线路自动调压还未在资料上见过，资料只提过用波段开关选定电压，这是因为它固有的缺陷所决定。而无触点二进制变压器调压不但没有这些缺陷，控制方面可采取逻辑线路和计算机(单片机)等的快速控制，具体如下：

1、三路负载调节信号输入CPU：

(1)、A/D转换器是负载的电压大小测量，根据这个值的大小和储存在CPU中所需应该电压比较，CPU的I/O口输出一个与调节负载电压大小对应的数字信号；

(2)、由交流电和元器件检测出交流电过零信号，目的是调节负载电压大小对应的数字信号输出时的相位，对应于交流电零相位，即可控硅零电压触发。

可控硅导通采用了过零触发方式，虽然此处不用过零触发方式有时也可工作，但有以下几个问题使得机器不可靠：

a、同组可控硅会一个未关断，另一个便会同时导通而形成短路烧器件。

b、不在零点触发，可控硅会在交流电峰值或瞬态电压较高时触发导通，电流、电压从0直接跳至较高或很高，对后部线路和电器的冲击是可想而知的；

(3)、正负信号只用在直流负载中使用，它输入至CPU，CPU产生正负切换信号，驱动换向继电器或可控硅，给负载提供所需正或负向的电压。

2、由CPU输出的调节负载电压大小对应的数字信号，需要转换为互锁的单元组信号，才能连接到可控硅驱动单元电路，再去触发可控硅阵列。

同组可控硅常开、常闭的互锁：

G+是T1、T3、----、T13可控硅奇数触发端G1、G3、----、G13，触发相当于常开可控硅；G-是T2、T4、----、T14可控硅硅偶数触发端G2、G4、----、G14，是由奇数触发端信号通过数字电路倒相成偶数触发端信号，触发相当于常闭可控硅；因此每组可控硅的触发是由一组奇偶(信号互异)触发端触发，它们不可能同时被触发导通。

3、驱动单元电路是将触发信号(TTL信号)产生驱动电流，可控硅我们采用两种触发方式：可控硅I象限触发(交流触发)和可控硅I、III象限触发(直流触发)。

I象限触发(交流触发)：触发信号通过光耦隔离传输，触发小功率双向可控硅，小功率双向可控硅产生的交流电流，去触发大可控硅；

I、III象限触发(直流触发)：触发信号通过光耦隔离传输，触发三极管，产生的直流电流触发大可控硅。

4、可控硅阵列即图二部分，它输出的交流电就可接交流负载，通过常规整流、滤波和由CPU控制的正负切换、便可接直流负载。

5、电源监测(看门狗)和存储器(串行EEPROM)在一个芯片中，电源监测(看门狗)对CPU工作电源和程序运行状态进行监测，当工作电源异常时，及时处理电路的工作和数据的保存。当程序运行状态不正常时或跑飞时，通过(看门狗)将CPU重新初始化，使程序运行正常；(串行EEPROM)可以存储程序初始数据和运行数据。

6、各种电压的实现、稳定电压的方式和自动跟踪负载的调节：

在本技术中，由于是可用计算机控制，控制信号的产生较容易，因此一些特殊控制信号可以使电压调节范围是可变的，例如：上面举例是1→128V，如果需要1→159V，则变压器的最后再加一组输出电压是31V线圈即可。31V不是二进制电压，这里已延拓出二进制概念，又譬如级数(电压间隔)不一定是1V，中间线圈电压也不一定是二进制电压，可以等级数调压，也可非线性电压调整。

使用A/D转换器与输出形成闭合链，电压、电流转换成数字信号反馈至CPU，CPU再根据电压、电流范围的选择，产生可调节输出的控制信号，快速跟踪了输出电压、电流，从而达到我们所需要的输出电压和电流，成为优良或特别的设备、仪器。譬如电压稳定在一定范围的稳定电源：交流稳压器等。

当负载需要直流正负电压变换，如扫描电源由零电流→(扫描至)最大正电流→零电流→最大负电流→零电流的连续变化，A/D转换器与输出形成闭合链，配合正负信号输入CPU，CPU便会知道自动切换；再如负载有几级，其中一级通过A/D转换器对电压进行控制，可使整机的功耗限制在一定的范围内，大功率恒流源的恒流管端电压反馈控制便如此。

无触点二进制变压器调压电源特点：

1、无触点二进制变压器调压可适应很多负载功率大、负载电压需要跟踪场合，并可与输出形成闭合环，对负载能起到一定范围的自动调节和监控作用。

2、由无触点电子电路组成，控制运行速度快、无接触不良、无机械触点的易损耗和火花干扰。

3、可适应交流、直流或双向直流等的各种负载，并且电源自身不会产生谐波、杂波和干扰等，是干净优质的电源。

4、计算机控制，可以有数码或液晶显示、先进的输入方式等优异的人机界面，还可有数据或运行设置的存储空间或大存储空间等等。最大的优点是可以很方便的与其它机器或计算机联网、通信，形成高档的自动控制系统设备或仪器。

5、电压调节范围的灵活性和较精细性，调节最大范围是变压器最小电压线包至变压器线包电压总和，级数1V、2V、0.5V等等…，甚至于根据需要不选级数，由于计算机控制，可以在任意时刻跳至最大调节范围内的任意电压。

附图说明

以下将结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1是现有的继电器二进制变压器调压原理图。

图2是无触点二进制变压器调压电源的可控硅阵列电路原理图。

图3是无触点二进制变压器调压电源的电子线路原理框图。

图4是无触点二进制变压器调压电源的分立器件可控硅I象限触发的驱动单元电路原理图。

具体实施方式

参照附图1，现有的继电器二进制变压器调压原理图，其原理是利用交流电二进制电压1V、2V、4V、8V、16V、32V、64V的各种组合，形成各间隔最小为1V，从1V至128V的可调电压输出。例如我们需要17V交流电源，通过1V+16V两个的组合输出达到目的(图一中J1、J5常开闭合)。

本实用新型使用可控硅替代继电器进行无触点二进制变压器的调压，是本技术的关键，可控硅的线路接法见附图2，二个可控硅为一组代替一个继电器，上一个可控硅相当于继电器常开触点，下一个相当于常闭触点，只是这组触点非常快，是微秒级的，且无机械触点的固有缺陷。

参照附图2、3、4，无触点二进制变压器调压电源包括中央处理器CPU、过零信号检测电路、电源监测(看门狗)和存储器(串行EEPROM)、反馈信号电路(A/D转换器电压大小反馈和直流输出正负电压信号反馈)、互锁触发信号的产生、驱动单元电路、可控硅阵列电路、直流输出正负切换电路、直流输出整流滤波电路、串行接口电路。

中央处理器CPU采用单片计算机，中央处理器CPU是线路的核心，由一片MCS51型的单片计算机来操作、逻辑控制的，将需要的状态、条件、目的等编为程序输入至单片机程序存储器中，再由单片机自动控制。

线路的核心中央处理器CPU是由一片MCS51型的单片计算机来操作、逻辑控制的，将我们需要的状态、条件、目的等编为程序输入至单片机程序存储器中，再由单片机自动控制。

CPU我们用的是Atmel公司的89系列，如89C51，或者其它系列单片机，在此内含类似于CPU有编程、智能功能的芯片，甚至于计算机本身和嵌入式计算机系统也都可以采用；

过零信号电路，前与交流电源相连接，后与中央处理器CPU中断引脚相连接。过零信号电路采用CA3059可控硅触发集成块，交流信号由信号输入端输入，驱动输出接中央处理器CPU中断引脚，该芯片不但有过零信号电路，也包含了驱动电路(见下面驱动单元电路)。过零信号电路，也可以采用分立元件电路，它包括取样信号和零信号产生，取样信号由降压变压器或电阻网络组成。

反馈信号电路包括A/D转换器、直流输出正负电压信号反馈电路。A/D转换器，前接负载监测端，后接中央处理器CPU输入端口。它测量负载或后面需监测、控制的电压，转换成数字反馈信号给中央处理器CPU，与输出形成闭合链的方式。反馈信号电路芯片采用ADC系列，如ADC0804，A/D转换器有多种可用，有的单片机本身带有A/D转换器，工作方式是相同。反馈信号电路中：A/D转换器采用ADC0804集成块，前接负载电压，后输出转换过的电压数字信号给CPU；直流输出正负电压信号反馈电路采用数显表头集成电路ICL7107，取它的正负信号通过光耦隔离转输至中央处理器CPU。

直流输出正负切换电路反馈信号是用在直流负载的情况下，前接负载，后接中央处理器CPU输入端。将负载或后面需监测、控制的正负电压信号，通过隔离转输给CPU，采用数显表头集成电路ICL7107等，取它的正负信号通过光耦隔离(如用4N25)转输至CPU。

电源监测(看门狗)和存储器(串行EEPROM)：电源监测(看门狗)前接CPU工作电源正端，后接CPU的复位端(RST脚)；存储器(串行EEPROM)数据线接CPU的输入/输出(I/O口)端。采用双功能合一的，美国Xicor公司的X5045芯片，也可采用其它功能分开的芯片，如看门狗MAX813或直接包含看门狗的CPU和25、93等系列的串并行EEPROM。看门狗监控CPU电源开与关、程序异常和程序跑飞，EEPROM存储程序初始化数据和运行数据；

互锁触发信号的产生电路：互锁的单元组信号，前接中央处理器CPU输出端口，后接驱动单元。中央处理器CPU输出的数字调压信号，经过数字电路或可编程逻辑器件，转换成每组只能是(1，0)或(0，1)的互锁信号，1代表可控硅导通，0代表可控硅截止，同组可控硅(相当于一组继电器的常闭、常开触点)不可能同时导通。采用数字电路如4041有Q、Q互锁输出即可。用一组中Q是CPU直接输出(也可加锁存器74HC373等)，Q用反向器4069、4502等输出。或可编程逻辑器件如GAL系列，经过编程为同上面所指等效的数字电路。互锁触发信号的产生电路采用数字集成电路如4502，将中央处理器CPU输出的数字可控硅触发信号转换为互锁触发信号，后接入驱动单元电路。

驱动单元电路设有若干组，上接互锁触发信号的输出端，下接可控硅阵列中的大可控硅触发端，提供一定功率、带相位的触发信号至大可控硅触发端。驱动单元电路采用双向可控硅97A6、光耦4N25分立件，采用可控硅I象限触发(交流触发)。

具体的触发信号有以下几点：

1、可控硅I象限触发(交流触发)，见附图4，P+、P-接互锁信号进来，接光耦U6、U7将前级信号部分与可控硅部分隔离，然后触发97A6：双向小功率可控硅Q2、Q3，产生交流从G+、G-去触发大可控硅。下部还有一些阻容件、整流二极管是给驱动单元提供触发电流。

2、可控硅I、III象限触发(直流触发)，每组是用二只三极管提供直流触发大可控硅的，其它与1、基本相同。

3、集成电路电路直接过零触发大可控硅，上过零信号电路已叙述，采用CA3059，能产生过零信号，也可直接过零触发大可控硅。功能相同集成电路KC-08等也可以用。大可控硅和触发电路的组合，即可以用固态继电器，固态继电器是集成电路、大可控硅等的组合模块，特别是本身具有过零触发(内含CA3059等集成电路)的固态继电器用在此处更方便，只需要弱信号触发，当然成本要略高一些。这时过零信号不接入CPU，隔离光耦、过零信号、功率驱动、大可控硅为一体，CPU只产生一触发电平通过隔离光耦控制可控硅的导通关闭；

可控硅阵列电路包括大功率变压器、若干个大功率可控硅。原理图为附图2，前已述叙，交流电输入至大功率变压器，功率变压器有多组输出，每组输出接一组二只可控硅，多组形成一可控硅阵列，也是机器整体交流电的输入、切换、交流电的输出，每组可控硅的触发端G+、G-接驱动单元电路。可控硅可采用双向的如：3CTS系列、单向如3CT系列组合成双向可控硅方式，也可用可控硅模块、固态继电器等。可控硅阵列电路采用多组电压的变压器和多组由3CTS双向可控硅组成的阵列电路，交流电由变压器输入端接入，可控硅阵列电路的输出调压后的交流电。

直流输出正负切换电路，与中央处理器CPU信号输出端相接，中央处理器CPU提供控制信号输入直流输出正负切换电路，前后接直流输出整流滤波电路。直流输出正负切换电路采用ULN2003或驱动三极管S8050等。由中央处理器CPU得到的正负信号要求，输出控制信号，使继电器、可控硅切换直流的正负向。

直流输出整流滤波电路包括整流电路、滤波电路。整流电路采用大功率桥式整流模块，滤波电路采用大容量电介电容。

串行接口电路采用中央处理器CPU串行接口，CPU的RXD、TXD脚输出，232口用max232等芯片、485口用max1487等芯片，与外部仪器、设备、计算机等联机：传递数据、受外部控制或控制外部设备、联动操作、组成大的控制系统等等。

Claims (7)

1.一种无触点二进制变压器调压电源，其特征在于包括中央处理器CPU、过零信号检测电路、电源监测和存储器、反馈信号电路、互锁触发信号的产生电路、驱动单元电路、可控硅阵列电路、直流输出正负切换电路、直流输出整流滤波电路、串行接口电路；

中央处理器CPU采用单片计算机，是由一片MCS51型的单片计算机来操作、逻辑控制的；

过零信号电路，前与交流电源相连接，后与中央处理器CPU中断引脚相连接；

反馈信号电路包括A/D转换器、直流输出正负电压信号反馈电路，A/D转换器，前接负载监测端，后接中央处理器CPU输入端口，它测量负载或后面需监测、控制的电压，转换成数字反馈信号给中央处理器CPU，与输出形成闭合链的方式；

直流输出正负切换电路反馈信号，前接负载，后接中央处理器CPU输入端，将负载或后面需监测、控制的正负电压信号，通过隔离转输给中央处理器CPU；

电源监测和存储器，电源监测前接中央处理器CPU工作电源正端，后接中央处理器CPU的复位端；存储器数据线接中央处理器CPU的输入/输出端；

互锁触发信号的产生电路，前接中央处理器CPU输出端口，后接驱动单元；

驱动单元电路设有若干组，上接互锁触发信号的输出端，下接可控硅阵列中的大可控硅触发端；

可控硅阵列包括大功率变压器、若干个大功率可控硅，大功率变压器有多组输出，每组输出接一组二只可控硅，多组形成一可控硅阵列，每组可控硅的触发端G+、G-接驱动单元电路；

直流输出正负切换电路，与中央处理器CPU信号输出端相接，中央处理器CPU提供控制信号输入直流输出正负切换电路，前后接直流输出整流滤波电路；

直流输出整流滤波电路包括整流电路、滤波电路；串行接口电路采用中央处理器CPU串行接口。

2.根据权利要求1所述的无触点二进制变压器调压电源，其特征在于可控硅阵列电路采用多组电压的变压器和多组由3CTS双向可控硅组成的阵列电路，交流电由变压器输入端接入，可控硅阵列电路的输出调压后的交流电。

3.根据权利要求1所述的无触点二进制变压器调压电源，其特征在于过零信号电路采用CA3059可控硅触发集成块，交流信号由信号输入端输入，驱动输出接中央处理器CPU中断引脚，该芯片有过零信号电路，也包含了驱动电路。

4.根据权利要求1所述的无触点二进制变压器调压电源，其特征在于反馈信号电路中：A/D转换器采用ADC0804集成块，前接负载电压，后输出转换过的电压数字信号给CPU；直流输出正负电压信号反馈电路采用数显表头集成电路ICL7107，取它的正负信号通过光耦隔离转输至中央处理器CPU。

5.根据权利要求1所述的无触点二进制变压器调压电源，其特征在于互锁触发信号的产生电路采用数字集成电路4502，将中央处理器CPU输出的数字可控硅触发信号转换为互锁触发信号，后接入驱动单元电路。

6.根据权利要求1所述的无触点二进制变压器调压电源，其特征在于驱动单元电路采用双向可控硅97A6、光耦4N25分立件，采用可控硅I象限触发。

7.根据权利要求1所述的无触点二进制变压器调压电源，其特征在于直流输出正负切换电路采用ULN2003集成块或驱动三极管S8050。

Images