CN202818102U

CN202818102U - 一种二端串联型自供电数控大功率直流可调稳流装置

Info

Publication number: CN202818102U
Application number: CN 201220547101
Authority: CN
Inventors: 闵子建; 袁慧梅
Original assignee: Capital Normal University
Current assignee: Capital Normal University
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2022-10-24

Abstract

一种二端串联型自供电数控大功率直流可调稳流装置，它包含4个应用电路模块：功率放大和稳流反馈电路(1)，精密稳压电源模块(2)，数控稳流调节模块(3)和稳流控制和放大驱动模块(4)，它们彼此互相连接；本实用新型可实现几百伏电压的大功率稳流供电，电流稳定性较好；有较大的工作电压范围和负载变化范围；数控调节，留有微机控制接口（TTL电平），便于实现智能化和程控。有过压保护功能，防止瞬间高压引起功率管T击穿。它在稳流、稳压电路结构技术领域里有较好的实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种二端串联型自供电数控大功率直流可调稳流装置

技术领域

本实用新型涉及一种二端串联型自供电数控大功率直流可调稳流装置（结构框图如图1所示），装置工作电压可达几百伏。特别涉及装置中采用精密稳压集成电路组成精密稳压电源模块(2)，以及采用数字电位器组成数字稳流调节模块(3)，属于稳流、稳压电路结构技术领域。

背景技术

通常稳流电源是在稳压电源的基础上实现的，稳压部分一般采用半导体稳压二极管或三端专用稳压器件如78XX系列构成，稳流电源工作时应允许负载短路。稳压二极管的稳压特性较差，构成的稳流电源效果不好。78XX系列稳压器件耐压为40V，用它构成的稳流电源输入电压不能超过40V，只能用于负载电阻较小或稳流电流较小的环境。若要求稳流电源的工作电压达到数百伏，其电路结构复杂，成本高。

这类稳流电源的控制部分有专用供电系统。若需要将普通高压整流电源升级改造成高压大功率稳流电源，如镀膜机电源，采用这类装置会增加改造的复杂性，设计难度和制作成本。

本设计二端串联型稳流电路利用功率三极管或场效应晶体管的变阻特性，根据负载或输入电压的变化自动调节输出回路总电阻，达到稳流效果，控制部分电源采用自供电结构。

一种基本二端串联型稳流电路如图2所示，该稳流电源可直接插入原无稳压稳流的直流电源供电系统中，实现稳流供电，如对溅射镀膜机的镀膜或励磁线圈的恒流供电。该稳流电路最大能承受约数百伏的输入电压。

图2所示电路的功能简述如下：

功率放大和稳流反馈：由功率器件T和采样电阻Rf为主体部件，T选用大功率MOS管作为稳流电路调整管，直接串联在直流供电回路中，根据负载或输入电压的变化自动调节输出电阻，达到稳流的效果。电阻Rf为稳流采样电阻，稳流控制信号从Rf上取出，经前置放大器比较放大后控制VMOS管输出。

稳压电源：由电阻R3和稳压二极管D组成。稳压输出的稳定性直接决定了稳流电路的电流稳定性。仅由R3和D构成的稳压电路输出电压随电流波动大，稳定效果差。

为提高电压稳定性，一般采用稳压二极管、三端稳压集成电路78XX组合实现稳压。该类型电路的主要缺点是工作电流较大大，输入电压增高时导致电阻R3上功耗迅速增大，实际应用时工作电压动态范围小，系统功耗较大。

稳流调节：通过调节图2中电位器W抽头的位置改变电路的稳流值。

稳流控制和放大驱动：提高稳流控制灵敏度。具体结构可参考图7。

实用新型内容

本实用新型提供一种二端串联型自供电数控大功率直流可调稳流装置，该装置与上述基本串联型稳流电源比较，实现了数控调节，并且留出微机控制接口（TTL电平），便于实现智能化和程控。电流稳定性较好；允许较高工作电压、较大负载电阻的工作环境；增加了过压保护功能，防止功率管T因意外引起击穿损坏。该装置可实现高至几百伏电压的大功率稳流供电。

本实用新型结构框图如图1所示，它包含4个应用电路模块：功率放大和稳流反馈电路(1)，精密稳压电源模块(2)，数控稳流调节模块(3)，稳流控制和放大驱动模块(4)。它们彼此互相连接。

图3给出了二端口稳流装置的具体电路和元器件型号、规格。该装置仅有两个端口：V+和V-。应用时v+与供电电源“+”端相连，V-与负载相连，负载的另一端与供电电源的“-”端相连。装置本身不需要单独供电。

装置设有反接保护和过压保护。反接保护由整流二极管D1实现，防止电源端口接反引起电路损坏。过压保护由压敏电阻RV实现，保护功率管T不被击穿损坏。

图中D1：根据需要可选1N4007(工作电流≤1A)，或1N540X(工作电流≤3A)等整流二极管。RV：压敏电阻，可选MYG型压敏电阻，其标称工作电压应低于管子T的击穿电压V_DSS，可取0.7V_DSS。

图3给出了模块之间的位置连接关系和连接方式。附图4，5，6，7是图3的分割细化，便于模块功能的理解。根据图3中电路引线定义符号或图4~7中电路引出端口符号，它们之间的位置连接关系是：

1.工作时该稳流装置串联接入负载回路中，二极管D1正端D+与装置端口V+相连，负端D-与电路(1)的Td端相连；压敏电阻VR并联在装置端口V+、V-两端。V+与供电电源“+”端相连，V-端与负载相连，负载的另一端与供电电源“-”端相连。

2.功率放大和稳流反馈电路(1)的Td端与保护二极管D-端相连，输入端Tin与稳流控制和放大驱动模块(4)的输出端Ao相连，Rf+端与稳流控制和放大驱动模块(4)的In-端相连，Rf-端与该稳流装置V-端相连。

3.精密稳压电源模块(2)中的输入Win端与保护二极管负端D-相连，公共端W-与该稳流装置的V-输入端相连，输出Wo1端与稳流控制和放大驱动模块(4)的A+端相连，输出Wo2端与数控稳流调节模块(3)的P+端相连。

4.数控稳流调节模块(3)的P+端与精密稳压电源模块(2)的Wo2端相连，P-端与稳流控制和放大驱动模块(4)的A-端相连。Pw端与稳流控制和放大驱动模块(4)的IN+端相连。

5．稳流控制和放大驱动模块(4)的正输入端IN+与数控稳流调节模块(3)中的Pw端相连，负输入端IN-与功率放大和稳流反馈电路(1)的Rf+相连；Ao端接功率放大和稳流反馈电路(1)的输入Tin端，A+端接精密稳压电源模块(2)的Wo1端，A-端与该稳流装置V-端相连。

图3，图4，图5，图6，图7电路工作说明如下：

所述功率放大和稳流反馈电路(1)：见图4或图3，以VMOS管T为主要器件，由T、采样电阻Rf、保护电阻R9、R10组成。其连接关系是：R9的一端作为该电路(1)的输入端Tin，另一端与R10、T的栅极G相连，T的漏极D作为该电路(1)的电源正端Td，T的源极S与电阻Rf、R10相连作为该电路(1)的反馈端Rf+，电阻Rf的另一端作为该电路(1)的电源负端Rf-。

功率调整管的选取：该电路(1)中T为大功率VMOS管，根据需要选择管子。对于瞬间最高工作电压≤750V（负载短路时）的环境，可采用8N90C（极限参数：I_D＝6A，V_DSS＝900V，PD＝170W）或类似的管子。对于瞬间最高工作电压≤150V（负载短路时）的环境，可采用IRFP250N（极限参数：I_D＝30A，V_DSS＝200V，P_D＝210W）或类似的管子。上述VMOS管必须安装在表面积足够大的镀黑铝散热片上，并采用强迫风冷散热。

降低VMOS管上的工作电压可大幅度降低本装置的功耗，提高可靠性。因此正常工作时，应尽量调低装置两端的输入电压。

若调整管T采用并联结构，可以提高装置的稳流功率。

Rf是电流采样电阻，为精密线绕电阻，其阻值和功率由最大稳流值Imax决定。Rf选择：先确定装置最大工作时稳定电流Imax，Rf应满足下式：

Rf≤5/Imax （1）

公式（1）决定了Rf的上限值，电阻上功耗大时，需将它安装在散热片上。

该功率放大和稳流反馈电路(1)共有4个端口：Tin，Rf+，Td和Rf-。

所述精密稳压电源模块(2)：见图5或图3，是由限流电阻R1，精密稳压集成电路D2、D3(TL431)及外接电阻R2、R3、R4、R5，滤波电容C1、C2、C3组成。D2、D3为串联结构，提供5V(Wo2输出)和10.5V(Wo1输出)稳压电压。

其之间连接关系是：电阻R1的一端作为该模块(2)的输入端Win；D2的阴极与R1的另一端、分压电阻R2及电容C1、C3正极相连，并作为该模块(2)的10.5V输出端Wo1；D2的调整端与R2的另一端及R3相连；D2的阳极与R3、C1的另一端及D3的阴极、R4、C2相连，并作为该模块(2)的5V输出端Wo2；D3的调整端与R4的另一端及R5相连；D3的阳极与R5、C2的另一端及C3的负极相连，并作为该模块(2)的公共端W-。

TL431的工作电流为1~100mA，稳压电源模块(2)的输出电压Wo1、Wo2由下式决定：

Wo2=(1+R4/R5)×2.5 （2）

Wo1=Wo2+(1+R2/R3)×2.5 （3）

本例设计为Wo2=5V，Wo1=10.5V。

稳压电路限流电阻R1的阻值由功率调整管T上承受的最大连续工作电压确定。电压高时，R1的取值大，反之R1可取得小一些。

例如：R1取10k时，根据TL431的特性，瞬间最高输入电压可允许0.1A×10000Ω=1000V。实际上连续最大工作电压由电阻R1上的功耗P=V²/R决定，若R1取16W(可用两个10W的水泥电阻并联)，则该模块(2)连续工作输入电压可至400V（注意此时调整管T上的功耗不要超过限制）。可见，本电路有较宽的工作电压范围。电容C3起滤波作用。

该精密稳压电源模块(2)共有4个端口：输入端Win，输出端Wo1、Wo2，公共端W-。

所述数控稳流调节模块(3)：见图6或图3，由数字电位器U2X9C103和电阻R11、R12，轻触开关S1、S2组成。

数字电位器U2 X9C103是内有99个电阻，100个抽头点的10kΩ低功耗CMOS固态电位器，3线串联接口，有掉电记忆、上电恢复功能，5V工作电压。引脚按顺序排列为，1脚/INC：增量脉冲输入，2脚U/D：增/减方向控制，3脚VH：数字电位器高电位端，4脚Vss：电源负，5脚Vw：数字电位器抽头，6脚VL：数字电位器低电位端，7脚/CS：片选端，8脚Vcc：电源正。该模块(3)中轻触开关S1是增量按钮，S2是增减方向按钮。点按轻触开关S1和S2，可改变Pw端对V-端电压U_PW。每按压一次S1，则电流增大一步，直到最大值。若按下S2不放的同时，按压S1按钮，则电流减小。

该模块(3)之间连接关系是：数字电位器U2X9C103的8脚Vcc接R11和精密稳压电源模块(2)的Wo2(5V)端，R11的另一端接3脚VH；6脚VL接R12，R12的另一端接4脚Vss；7脚/CS接4脚Vss，2脚U/D和1脚/INC分别接轻触键S2和S1，并引出作为微机控制端口UD和INC；轻触键S1和S2的另一端接4脚Vss，4脚Vss引出线作为该模块(3)的P-端；8脚Vcc引出线作为P+端；5脚Vw引出线作为Pw端。

该数控稳流调节模块(3)有五个端口：P+、P-和Pw和微机控制端口INC和UD。

所述稳流控制和放大驱动模块(4)：见图7或图3，由低功耗单电源运放U1(LM358)，正端输入电阻R6、负端输入电阻R7和负反馈电阻R8组成标准直流放大器，实现对稳流控制信号的比较和放大。

其之间的连接关系是：该U1的正输入端(引脚3)与该R6相连，该R6的另一端作为该模块(4)的输入端IN+；该U1的负输入端(引脚2)与该R7、R8相连，该R7的另一端作为该模块(4)的输入端IN-；该U1输出端(引脚1)与该R8的另一端相连，作为该模块(4)的输出端Ao；该U1的引脚8是该模块(4)的电源正端A+，该U1的引脚4是该模块(4)的公共端A-。

该稳流控制和放大驱动模块(4)共有5个端口：IN+，IN-，Ao，A+和A-。

稳定电流的显示：采用3位半LED数字电压表头，差分工作方式，取Rf两端电压测量值变换后读出，实现稳流值的实时LED数字显示。

优点及功效：本实用新型涉及一种二端串联型自供电数控大功率直流可调稳流装置的优点是：装置可实现几百伏电压的大功率稳流供电，电流稳定性较好；有较大的工作电压范围和负载变化范围；数控调节，留有微机控制接口（TTL电平），便于实现智能化和程控。有过压保护功能，防止瞬间高压引起功率管T击穿。

附图说明：

图1是二端串联型自供电数控大功率直流可调稳流装置结构框图

图2是基本串联型稳流电路示意图

图3是二端串联型自供电数控大功率直流可调稳流装置电路图

图4是功率放大和稳流反馈电路图

图5是精密稳压电源模块电路图

图6是数控稳流调节模块电路图

图7是稳流控制和放大驱动模块电路图

图中符号说明如下：

图2基本串联型稳流电路：

R1、R2：分压电阻；W：线绕电位器；D：稳压二极管；R3：限流电阻。T：大功率VMOS管；Rf：精密功率线绕电阻。端口v+：与供电电源“+”端相连，端口V-：与负载相连。

图3二端串联型自供电数控大功率直流可调稳流装置电路图：

总电路中，D1：反接保护二极管；RV：压敏电阻；端口v+，端口V-。

功率放大和稳流反馈电路(1)：T：VMOS功率管；Rf：采样电阻——系精密功率线绕电阻；R9、R10：保护电阻——系普通电阻。Tin、Rf+、Td、Rf-：电路引线定义符号。

精密稳压电源模块(2)：R1:限流电阻，为大功率水泥电阻；R2、R3、R4、R5：系金属膜电阻；D2、D3：精密稳压集成电路TL431；C1、C2：滤波电容，C3：电解电容。Win、Wo1、Wo2、W-：电路引线定义符号。

数控稳流调节模块(3)：U2（X9C103）：数字电位器；R11、R12：系金属膜电阻；S1、S2：轻触按键。P+、P-、Pw：电路引线定义符号，INC、UD：备用控制端口。

稳流控制和放大驱动模块(4)：U1：单电源运放LM358；R6、R7，R8：系金属膜电阻。IN+、IN-、A0、A+和A-：电路引线定义符号。

图4功率放大和稳流反馈电路：

T：VMOS功率管，Rf：系精密功率线绕电阻，其阻值和功率由电源的最大稳流值决定。R9、R10普通电阻；。Tin、Rf+、Td、Rf-：电路引出端口。

图5精密稳压电源模块：

R1：限流电阻，为大功率水泥电阻；R2、R3、R4、R5：系金属膜电阻；D2、D3：精密稳压集成电路TL431；C1、C2：滤波电容，C3：电解电容。Win、Wo1、Wo2、W-：电路引出端口。

图6数控稳流调节模块：

U2（X9C103）：数字电位器；R11、R12：系金属膜电阻；S1、S2：轻触按键。P+、P-、Pw：电路引出端口，INC、UD：备用控制端口。

图7稳流控制和放大驱动模块：

U1：单电源运放LM358；R6、R7、R8系金属膜电阻。IN+、IN-、A0、A+和A-：电路引出端口。

具体实施方式：

本实用新型是一种二端串联型自供电数控大功率直流可调稳流装置，结构框图如图1。具体实施电路如图3所示，它包含4个模块：功率放大和稳流反馈电路(1)，精密稳压电源模块(2)，数控稳流调节模块(3)，稳流控制和放大驱动模块(4)。

根据附图3中电路引线定义符号或图4~7中电路引出端口符号，它们之间的位置连接关系是：

1.工作时该稳流电源装置串联接入负载回路中，电路有反接保护和过压保护。反接保护由整流二极管D1实现，D1正端与端口V+相连，负端与电路(1)的Td端相连；过压保护由压敏电阻VR实现，VR与端口V+、V-并联。V+与供电电源“+”端相连，V-端与负载相连，负载的另一端与供电电源“-”端相连。

整流二极管D1可选择1N4007(工作电流≤1A时)，或1N5408(工作电流≤3A时)等。压敏电阻RV可选用MYG型，其标称电压应低于功率管T的击穿电压V_DSS，可取0.7V_DSS。

5．稳流控制和放大驱动模块(4)的正输入端IN+与数控稳流调节模块(3)中的Pw端相连，负输入端IN-与功率放大和稳流反馈电路(1)的Rf+相连；Ao端接电路(1)的输入Tin端，A+端接精密稳压电源模块(2)的Wo1端，A-端与该稳流装置V-端相连。

功率调整管T为大功率VMOS管，根据最高工作电压和工作电流选择。管子必须安装在表面积足够大的镀黑铝散热片上，并采用强迫风冷散热。

降低VMOS管上的工作电压可大幅度降低本装置的功耗。正常工作时，应尽量调低装置两端的输入电压。

若调整管T采用并联结构，可以提高装置的稳流功率。

Rf是电流采样电阻，为精密线绕电阻，其阻值和功率由最大稳流值Imax决定。工作中Rf上功耗较大，需将它安装在散热片上。

Rf选择：由装置最大稳定电流Imax，Rf应满足条件：

Rf≤5/Imax

功率放大和稳流反馈电路(1)共有4个端口：Tin，Rf+，Td和Rf-。

所述数控稳流调节模块(3)：见图6或图3，由数字电位器U2（X9C103，7位10k或同类芯片）和电阻R11、电阻R12，轻触开关S1、S2组成。

数字电位器X9C103工作电压5V。引脚按顺序排列为，1脚/INC：增量脉冲，2脚U/D：增/减方向控制，3脚VH：数字电位器高电位端，4脚Vss：电源负，5脚Vw：数字电位器抽头，6脚VL：数字电位器低电位端，7脚/CS：片选端，8脚Vcc：电源正。

该模块(3)中轻触开关S1是增量按钮，S2是增减方向按钮。点按轻触开关S1和S2，可改变Pw端对V-端电压U_PW。

该模块(3)之间连接关系是：数字电位器X9C103的8脚Vcc接R11和精密稳压电源模块(2)的Wo2(5V)端，R11的另一端接3脚VH；6脚VL接R12，R12的另一端接4脚Vss；7脚/CS接4脚Vss，2脚U/D和1脚/INC分别接轻触键S2和S1，并引出作为微机控制端口UD和INC；轻触键S1和S2的另一端接4脚Vss，4脚Vss引出线作为该模块(3)的P-端；8脚Vcc引出线作为P+端；5脚Vw引出线作为Pw端。

所述稳流控制和放大驱动模块(4)：见图7或图3，由低功耗单电源运放U1(LM358)，正端输入电阻R6、负端输入电阻R7和负反馈电阻R8组成标准直流放大器，对稳流控制信号进行比较和放大。

图3电路实例所给参数适用于最大稳定电流在1安培以内，瞬时最高工作电压小于750伏的工作环境下。本稳流装置长期稳定工作时端口电压值应调整到100~150V，以降低该稳流装置的发热和功耗。减小R1的阻值会使稳流装置工作电压区间下移。

图2是基本串联型稳流电路图。

Claims

1.一种二端串联型自供电数控大功率直流可调稳流装置，其特征在于：它包含4个应用电路模块：功率放大和稳流反馈电路(1)，精密稳压电源模块(2)，数控稳流调节模块(3)和稳流控制和放大驱动模块(4)，它们彼此互相连接；

1）工作时该稳流装置串联接入负载回路中，二极管D1正端D+与装置端口V+相连，负端D-与功率放大和稳流反馈电路(1)的Td端相连；压敏电阻VR并联在装置端口V+、V-两端，V+与供电电源“+”端相连，V-端与负载相连，负载的另一端与供电电源“-”端相连；

2）功率放大和稳流反馈电路(1)的Td端与保护二极管D-端相连，输入端Tin与稳流控制和放大驱动模块(4)的输出端Ao相连，Rf+端与稳流控制和放大驱动模块(4)的In-端相连，Rf-端与该稳流装置V-端相连；

3）精密稳压电源模块(2)中的输入Win端与保护二极管负端D-相连，公共端W-与该稳流装置的V-输入端相连，输出Wo1端与稳流控制和放大驱动模块(4)的A+端相连，输出Wo2端与数控稳流调节模块(3)的P+端相连；

4）数控稳流调节模块(3)的P+端与精密稳压电源模块(2)的Wo2端相连，P-端与稳流控制和放大驱动模块(4)的A-端相连，Pw端与稳流控制和放大驱动模块(4)的IN+端相连；

5）稳流控制和放大驱动模块(4)的正输入端IN+与数控稳流调节模块(3)中的Pw端相连，负输入端IN-与功率放大和稳流反馈电路(1)的Rf+相连；Ao端接电路(1)的输入Tin端，A+端接精密稳压电源模块(2)的Wo1端，A-端与该稳流装置V-端相连；

应用时v+与供电电源“+”端相连，V-与负载相连，负载的另一端与供电电源的“-”端相连，该稳流装置本身不需要单独供电；

所述功率放大和稳流反馈电路(1)：以VMOS管T为主要器件，由T、采样电阻Rf、保护电阻R9、R10组成，R9的一端作为该电路(1)的输入端Tin，另一端与R10、T的栅极G相连，T的漏极D作为该电路(1)的电源正端Td，T的源极S与电阻Rf、R10相连作为该电路(1)的反馈端Rf+，电阻Rf的另一端作为该电路(1)的电源负端Rf-；该该功率放大和稳流反馈电路(1)共有4个端口：Tin，Rf+，Td和Rf-；

所述精密稳压电源模块(2)：是由限流电阻R1，精密稳压集成电路D2、D3即TL431及外接电阻R2、R3、R4、R5，滤波电容C1、C2、C3组成，D2、D3为串联结构，提供5V和10.5V的稳压电压；电阻R1的一端作为该模块(2)的输入端Win；D2的阴极与R1的另一端、分压电阻R2及电容C1、C3正极相连，并作为该模块(2)的10.5V输出端Wo1；D2的调整端与R2的另一端及R3相连；D2的阳极与R3、C1的另一端及D3的阴极、R4、C2相连，并作为该模块(2)的5V输出端Wo2；D3的调整端与R4的另一端及R5相连；D3的阳极与R5、C2的另一端及C3的负极相连，并作为该模块(2)的公共端W-；该精密稳压电源模块(2)共有4个端口：输入端Win，输出端Wo1、Wo2，公共端W-；

所述数控稳流调节模块(3)：由数字电位器U2X9C103和电阻R11、R12，轻触开关S1、S2组成，数字电位器U2X9C103的8脚Vcc接R11和精密稳压电源模块(2)的Wo2(5V)端，R11的另一端接3脚VH；6脚VL接R12，R12的另一端接4脚Vss；7脚/CS接4脚Vss，2脚U/D和1脚/INC分别接轻触键S2和S1，并引出作为微机控制端口UD和INC；轻触键S1和S2的另一端接4脚Vss，4脚Vss引出线作为该模块(3)的P-端；8脚Vcc引出线作为P+端；5脚Vw引出线作为Pw端；该数控稳流调节模块(3)有五个端口：P+、P-和Pw和微机控制端口INC和UD；

所述稳流控制和放大驱动模块(4)：由低功耗单电源运放U1即LM358，正端输入电阻R6、负端输入电阻R7和负反馈电阻R8组成标准直流放大器，该U1的正输入端引脚3与正端输入电阻R6相连，该R6的另一端作为该模块(4)的输入端IN+；该U1的负输入端引脚2与负端输入电阻R7、负反馈电阻R8相连，该R7的另一端作为该模块(4)的输入端IN-；该U1输出端引脚1与该R8的另一端相连，作为该模块(4)的输出端Ao；该U1的引脚8是该模块(4)的电源正端A+，该U1的引脚4是该模块(4)的公共端A-，该稳流控制和放大驱动模块(4)共有5个端口：IN+，IN-，Ao，A+和A-。