基于串联反馈式稳压原理的程控电源设计

2016-01-19 10:25童建平范欧侃童珺怡徐丹阳

浙江工业大学学报 2015年6期

童建平，范欧侃，童珺怡，徐丹阳

(浙江工业大学理学院，浙江杭州 320023)

基于串联反馈式稳压原理的程控电源设计

童建平，范欧侃，童珺怡，徐丹阳

(浙江工业大学理学院，浙江杭州 320023)

摘要：目前大多数稳压电源都基于串联反馈式稳压原理来稳定电压，采用电位器调节反馈比例系数来改变输出电压，如果电位器频繁调节会造成电位器磨损，导致电压调整过程中出现跳点，影响电源的调节精度.夫兰克-赫茲实验中用于电子加速的电源，其最高电压约为90 V左右，负载电流不超过1 mA.如果直接采用串联反馈式基本电路，考虑到集成电路的最高工作电压，显然是不可行的.为此设计了一种改进的串联反馈式稳压电路，并且利用改变基准电源电压来改变输出电压，基准电源电压通过D/A转换电路得到，这样就可以实现程控电源.由于采用改变基准电源电压来改变输出电压，没有了电位器的使用，电位器磨损问题彻底解决，大大降低仪器的故障率.所研制的直流电源电压变化范围在10～100 V，如果负载电流不超过1 mA，误差在±1%以内.

关键词：串联反馈；程控电源；D/A转换电路；基准电压

The design of programmable power supply based on

the principle of series feedback

TONG Jianping, FAN Oukan, DONG Junyi, XU Danyang

(College of Science, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

Abstract:Most of the current regulated power supplies are based on the principle of series feedback to stabilize voltage, and potentiometers are used to adjust the output voltage by changing its coefficient. The more potentiometer changes, the worst potentiometer will be caused, and jumping point in voltage adjustment process will influence adjusting accuracy of the power supply. Power supply for electron acceleration in Franck-Hertz experiment, whose highest voltage is about 90 V, the load current is less than 1 mA, which obviously can’t use the series feedback type basic circuit ,because the maximum working voltage of integrated circuits can’t reach this value. An improved series feedback voltage regulating circuit has been designed, changing reference voltage adjusts the output voltage, reference voltage is obtained through the D/A conversion circuit, so the programmable power supply is realized. Because the output voltage is changed by adjusting the reference voltage, the changing coefficient potentiometer is not used, so the failure of potentiometer will not occur, the failure rate of Franck-Hertz experiment apparatus will decrease. The power supply voltage changes in the range of 10～100 V, if the load current is less than 1 mA, the error is within±1%.

Key words:series feedback；programmable power supply；D/A conversion circuit；reference voltage

夫兰克-赫茲实验至今仍是探索原子结构的重要手段之一，实验中用的“拒斥电压”筛去小能量电子的方法，已成为广泛应用的实验技术[1-2].夫兰克-赫茲实验中测定氩原子的第一激发电位，要用到四组电源，灯丝电压，第一栅压，第二栅压，拒斥电压，由于串联稳压电源与开关电源相比，纹波更小[3]，且四组电源输出电流均比较小，所以一般都采用串联稳压电源.实验者调好灯丝电压，第一栅压，拒斥电压，为得到数量大于6个的谱峰值，将第二栅压从直流10 V开始调到90 V左右，每隔0.5 V测量一次[4].如果用电位器来调整，每做一次实验，电位器就要全量程旋转一次，这样对电位器的可靠性就提出很高的要求，因为电位多次旋转后，由于磨损会产生电压跳点[5]，直接影响实验精度，目前大多数稳压电源都基于串联反馈式稳压原理来稳定电压，采用电位器调节反馈比例系数来改变输出电压，如果电位器频繁调节会造成电位器磨损，直接影响了仪器的可靠性.为此，设计了基于串联稳压原理的程控电源,直接去除电位器，利用改变参考电压来改变输出电压.

1串联稳压原理

图1是串联反馈式稳压原理的原理结构图[6]，图中V1是未经稳压的输出，一般是整流滤波后的输出电压，1V1为调整管，1N1为比较放大电路，一般是用运算放大电路构成，VREF1为基准电压，1R1，1R3与1R2组成反馈网络，是用来反映输出电压变化的取样环节.输出电压的变化量由反馈网络取样经放大电路放大后去控制调整管1V1的c-e极间的电压降，从而达到稳定输出电压的目的.从反馈放大电路的角度来看，这种电路属于电压串联负反馈电路.调整管1V1连成了电压跟随器形式.

图1　串联反馈式稳压电路原理结构图Fig.1　Schematic diagram of Series feedback regulator circuit

由图1得

VB=AV(VREF1-FVVO)

在深度负反馈条件下，根据运放的虚短和虚断的概念，可得

上式表明：输出电压VO与基准电压VREF1近似成正比，与反馈系数FV成反比.如果改变参考电压VREF1，输出电压就可以改变了，这就是基于串联反馈式稳压原理的程控电源设计的基本关系式.

2程控电源性能要求与设计

要求设计的程控电源的最大输出为直流100 V，负载电流不超过1 mA，误差±1%.如果直接利用串稳电路的典型电路，显然是不可行的，因为集成电路工作的极限电压一般不超过±18 V，需要对电路作适当的改进，图2是改进后的简化电路图，输出电压是V-.

图2　改进后的简化电路图Fig.2　The improved circuit diagram

2R3，2R4为平衡电阻，减小运放的偏流影响.假设2R2的阻值为R1，2R6的阻值为R2，2R1的阻值为R3，显然根据运放的虚短与虚断的概念，V-计算式为

本实验要求步长为0.5 V,最大电压值为100 V,与假定取样比例(R1+R2)/R3约25，可以反推出最大VREF=4 V,最小值为10 V，最小值要求是0.4 V.

图3为可变化的电路实现原理图，图3中MC1403是带隙基准电压源，温度稳定性相当好，近似微伏级的热噪声和零温漂.MC1403输出电压为2.5 V的基准电源，通过调节多圈电位器3R2，使VREFIN为2.048 V.

图3　可变化的电路实现原理图Fig.3　Varying circuit diagram

我们选用TLC5615为D/A转换集成电路[7]，该集成电路采用单一5 V电源供电,三线串行输入有利于减少管脚，参考电压输入端VREFIN为2.048 V时，则其最大输出为VOUT=2.048×2=4.096 V，超过VREF=4 V对应要求值；10位D/A转换，最小分辨率为4.096 V/1 024=4 mV，每上升0.5 V，只要增加D/A的125个最小分辨率单位就可以了，调节精度完全满足设计要求.

3实验结果

以0.5 V为间隔测量电压，电压测量用FLUKE45四位半电压表，程控设定弗兰克-赫兹实验的第二栅压的输出电压VG2K，用四位半标准电压表测量输出电压并进行比较，由于数据较多，无法一一列出，表1只选其中的典型值.

表1　VG2K的典型值

所设计的程控电源用于电子加速，最大输出电流1 mA足够使用，实际测量可以达到3 mA.在夫兰克-赫茲实验中，氩的第一激发电势应为11.5 V，但是由于阴极存在逸出功，第一个峰值远大于11.5 V，故VG2K从10 V开始输出就可以了，对应测量IA的变化，其中IA为克服拒斥电压到达板极的电流，VG2K为阴极与第二栅极之间的加速电压.

图4　IA-UG2K曲线Fig.4　IA versus UG2K

图4为用示波器观测到的6个电流变化峰值，横坐标为UG2K，纵坐标为IA，我们观测到氩原子在G2K空间中与电子进行能量交换的情况.当G2K空间电压逐渐增大时，在起始阶段时，电压较低，电子能量较小，所以板极电流IA随电压的增大而增大.但当电压达到第一激发态电位时，电子在第二栅极与原子相撞，电子将一部分能量转移给原子，使原子跃迁到第一激发态，所以使得板极电流随电压的增大反而减小.随着第二栅极电压的不断增加，电子的能量也增加，克服反向拒斥电压而到达板极A，这时电流又开始上升，到了G2K的电压是氩原子第一激发电位的整数倍时，电子在G2K空间重复碰撞而失去能量，又会造成板极电流下降，也就证明了原子的能量在一定条件下，可发生跃迁，从一个定态跃迁到另一个定态，在此过程中，吸收或释放的能量是一定的，这就是玻尔的原子能级理论.

4结论

原子的能量不论通过什么方式来改变，只能从一个定态跃迁到另一个定态，夫兰克-赫茲实验证明了原子能级的存在.作为大学普通物理的一个实验，几乎所有学理工的学生都必须要做的一个实验.实验中用于加速的电源，如果用电位器的方式来改变电压，每做一次实验，就要全范围旋转一次电位器，这样对电位器的可靠性就提出很高的要求，因为电位器多次旋转后，由于磨损会产生电压跳点，直接影响实验精度，为此我们设计了基于串联反馈式稳压原理的程控电源，直流电压变化范围是10～100 V，负载电流不超过1 mA，误差±1%.

本文得到浙江工业大学自然科学研究基金(2012XZ002)资助.

参考文献：

[1]褚圣麟.原子物理学[M].北京：高等教育出版社,1979:122.

[2]徐志君，苏艳平，陈传书.谐势阱中玻色气体的有限尺度和相互作用的叠加效应[J]．浙江工业大学学报，2013，41(4)：468-472．

[3]何通能，安康，逯峰.基于模糊PI控制的三相船用逆变电源研究[J]．浙江工业大学学报，2013，41(2)：222-227．

[4]隋成华.大学物理实验[M].上海：上海科学普及出版社，2012：144.

[5]蒋建东，陈培余，童一珏，等．基于机器视觉的轻触开关引脚缺陷检测算法研究[J]．浙江工业大学学报，2015，43(1)：30-34．

[6]康华光,陈大钦，张林.电子技术基础：模拟部分[M].北京:高等教育出版社,2014:496.

[7]Texas Instruments. TLC5615.pdf[EB/OL].[2015-09-17].http://www.ti.com.cn/sitesearch/cn/docs/universalsearch.tsp?searchTerm=TLC5615#linkId=2&src.

(责任编辑：陈石平)