基于串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓原理的程控電源設(shè)計(jì)

童建平，范歐侃，童珺怡，徐丹陽

(浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 320023)

基于串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓原理的程控電源設(shè)計(jì)

童建平，范歐侃，童珺怡，徐丹陽

(浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 320023)

摘要：目前大多數(shù)穩(wěn)壓電源都基于串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓原理來穩(wěn)定電壓，采用電位器調(diào)節(jié)反饋比例系數(shù)來改變輸出電壓，如果電位器頻繁調(diào)節(jié)會(huì)造成電位器磨損，導(dǎo)致電壓調(diào)整過程中出現(xiàn)跳點(diǎn)，影響電源的調(diào)節(jié)精度.夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)中用于電子加速的電源，其最高電壓約為90 V左右，負(fù)載電流不超過1 mA.如果直接采用串聯(lián)反饋式基本電路，考慮到集成電路的最高工作電壓，顯然是不可行的.為此設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路，并且利用改變基準(zhǔn)電源電壓來改變輸出電壓，基準(zhǔn)電源電壓通過D/A轉(zhuǎn)換電路得到，這樣就可以實(shí)現(xiàn)程控電源.由于采用改變基準(zhǔn)電源電壓來改變輸出電壓，沒有了電位器的使用，電位器磨損問題徹底解決，大大降低儀器的故障率.所研制的直流電源電壓變化范圍在10～100 V，如果負(fù)載電流不超過1 mA，誤差在±1%以內(nèi).

關(guān)鍵詞：串聯(lián)反饋；程控電源；D/A轉(zhuǎn)換電路；基準(zhǔn)電壓

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

夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)至今仍是探索原子結(jié)構(gòu)的重要手段之一，實(shí)驗(yàn)中用的“拒斥電壓”篩去小能量電子的方法，已成為廣泛應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)[1-2].夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)中測(cè)定氬原子的第一激發(fā)電位，要用到四組電源，燈絲電壓，第一柵壓，第二柵壓，拒斥電壓，由于串聯(lián)穩(wěn)壓電源與開關(guān)電源相比，紋波更小[3]，且四組電源輸出電流均比較小，所以一般都采用串聯(lián)穩(wěn)壓電源.實(shí)驗(yàn)者調(diào)好燈絲電壓，第一柵壓，拒斥電壓，為得到數(shù)量大于6個(gè)的譜峰值，將第二柵壓從直流10 V開始調(diào)到90 V左右，每隔0.5 V測(cè)量一次[4].如果用電位器來調(diào)整，每做一次實(shí)驗(yàn)，電位器就要全量程旋轉(zhuǎn)一次，這樣對(duì)電位器的可靠性就提出很高的要求，因?yàn)殡娢欢啻涡D(zhuǎn)后，由于磨損會(huì)產(chǎn)生電壓跳點(diǎn)[5]，直接影響實(shí)驗(yàn)精度，目前大多數(shù)穩(wěn)壓電源都基于串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓原理來穩(wěn)定電壓，采用電位器調(diào)節(jié)反饋比例系數(shù)來改變輸出電壓，如果電位器頻繁調(diào)節(jié)會(huì)造成電位器磨損，直接影響了儀器的可靠性.為此，設(shè)計(jì)了基于串聯(lián)穩(wěn)壓原理的程控電源,直接去除電位器，利用改變參考電壓來改變輸出電壓.

1串聯(lián)穩(wěn)壓原理

圖1是串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓原理的原理結(jié)構(gòu)圖[6]，圖中V1是未經(jīng)穩(wěn)壓的輸出，一般是整流濾波后的輸出電壓，1V1為調(diào)整管，1N1為比較放大電路，一般是用運(yùn)算放大電路構(gòu)成，VREF1為基準(zhǔn)電壓，1R1，1R3與1R2組成反饋網(wǎng)絡(luò)，是用來反映輸出電壓變化的取樣環(huán)節(jié).輸出電壓的變化量由反饋網(wǎng)絡(luò)取樣經(jīng)放大電路放大后去控制調(diào)整管1V1的c-e極間的電壓降，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的.從反饋放大電路的角度來看，這種電路屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路.調(diào)整管1V1連成了電壓跟隨器形式.

圖1　串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Schematic diagram of Series feedback regulator circuit

由圖1得

VB=AV(VREF1-FVVO)

在深度負(fù)反饋條件下，根據(jù)運(yùn)放的虛短和虛斷的概念，可得

上式表明：輸出電壓VO與基準(zhǔn)電壓VREF1近似成正比，與反饋系數(shù)FV成反比.如果改變參考電壓VREF1，輸出電壓就可以改變了，這就是基于串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓原理的程控電源設(shè)計(jì)的基本關(guān)系式.

2程控電源性能要求與設(shè)計(jì)

要求設(shè)計(jì)的程控電源的最大輸出為直流100 V，負(fù)載電流不超過1 mA，誤差±1%.如果直接利用串穩(wěn)電路的典型電路，顯然是不可行的，因?yàn)榧呻娐饭ぷ鞯臉O限電壓一般不超過±18 V，需要對(duì)電路作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，圖2是改進(jìn)后的簡(jiǎn)化電路圖，輸出電壓是V-.

圖2　改進(jìn)后的簡(jiǎn)化電路圖Fig.2　The improved circuit diagram

2R3，2R4為平衡電阻，減小運(yùn)放的偏流影響.假設(shè)2R2的阻值為R1，2R6的阻值為R2，2R1的阻值為R3，顯然根據(jù)運(yùn)放的虛短與虛斷的概念，V-計(jì)算式為

本實(shí)驗(yàn)要求步長(zhǎng)為0.5 V,最大電壓值為100 V,與假定取樣比例(R1+R2)/R3約25，可以反推出最大VREF=4 V,最小值為10 V，最小值要求是0.4 V.

圖3為可變化的電路實(shí)現(xiàn)原理圖，圖3中MC1403是帶隙基準(zhǔn)電壓源，溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，近似微伏級(jí)的熱噪聲和零溫漂.MC1403輸出電壓為2.5 V的基準(zhǔn)電源，通過調(diào)節(jié)多圈電位器3R2，使VREFIN為2.048 V.

圖3　可變化的電路實(shí)現(xiàn)原理圖Fig.3　Varying circuit diagram

我們選用TLC5615為D/A轉(zhuǎn)換集成電路[7]，該集成電路采用單一5 V電源供電,三線串行輸入有利于減少管腳，參考電壓輸入端VREFIN為2.048 V時(shí)，則其最大輸出為VOUT=2.048×2=4.096 V，超過VREF=4 V對(duì)應(yīng)要求值；10位D/A轉(zhuǎn)換，最小分辨率為4.096 V/1 024=4 mV，每上升0.5 V，只要增加D/A的125個(gè)最小分辨率單位就可以了，調(diào)節(jié)精度完全滿足設(shè)計(jì)要求.

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以0.5 V為間隔測(cè)量電壓，電壓測(cè)量用FLUKE45四位半電壓表，程控設(shè)定弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的第二柵壓的輸出電壓VG2K，用四位半標(biāo)準(zhǔn)電壓表測(cè)量輸出電壓并進(jìn)行比較，由于數(shù)據(jù)較多，無法一一列出，表1只選其中的典型值.

表1　VG2K的典型值

所設(shè)計(jì)的程控電源用于電子加速，最大輸出電流1 mA足夠使用，實(shí)際測(cè)量可以達(dá)到3 mA.在夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)中，氬的第一激發(fā)電勢(shì)應(yīng)為11.5 V，但是由于陰極存在逸出功，第一個(gè)峰值遠(yuǎn)大于11.5 V，故VG2K從10 V開始輸出就可以了，對(duì)應(yīng)測(cè)量IA的變化，其中IA為克服拒斥電壓到達(dá)板極的電流，VG2K為陰極與第二柵極之間的加速電壓.

圖4　IA-UG2K曲線Fig.4　IA versus UG2K

圖4為用示波器觀測(cè)到的6個(gè)電流變化峰值，橫坐標(biāo)為UG2K，縱坐標(biāo)為IA，我們觀測(cè)到氬原子在G2K空間中與電子進(jìn)行能量交換的情況.當(dāng)G2K空間電壓逐漸增大時(shí)，在起始階段時(shí)，電壓較低，電子能量較小，所以板極電流IA隨電壓的增大而增大.但當(dāng)電壓達(dá)到第一激發(fā)態(tài)電位時(shí)，電子在第二柵極與原子相撞，電子將一部分能量轉(zhuǎn)移給原子，使原子躍遷到第一激發(fā)態(tài)，所以使得板極電流隨電壓的增大反而減小.隨著第二柵極電壓的不斷增加，電子的能量也增加，克服反向拒斥電壓而到達(dá)板極A，這時(shí)電流又開始上升，到了G2K的電壓是氬原子第一激發(fā)電位的整數(shù)倍時(shí)，電子在G2K空間重復(fù)碰撞而失去能量，又會(huì)造成板極電流下降，也就證明了原子的能量在一定條件下，可發(fā)生躍遷，從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)，在此過程中，吸收或釋放的能量是一定的，這就是玻爾的原子能級(jí)理論.

4結(jié)論

原子的能量不論通過什么方式來改變，只能從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)，夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)證明了原子能級(jí)的存在.作為大學(xué)普通物理的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，幾乎所有學(xué)理工的學(xué)生都必須要做的一個(gè)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)中用于加速的電源，如果用電位器的方式來改變電壓，每做一次實(shí)驗(yàn)，就要全范圍旋轉(zhuǎn)一次電位器，這樣對(duì)電位器的可靠性就提出很高的要求，因?yàn)殡娢黄鞫啻涡D(zhuǎn)后，由于磨損會(huì)產(chǎn)生電壓跳點(diǎn)，直接影響實(shí)驗(yàn)精度，為此我們?cè)O(shè)計(jì)了基于串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓原理的程控電源，直流電壓變化范圍是10～100 V，負(fù)載電流不超過1 mA，誤差±1%.

本文得到浙江工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)研究基金(2012XZ002)資助.

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(責(zé)任編輯：陳石平)

文章編號(hào)：1006-4303(2015)06-0676-04

中圖分類號(hào)：TM933

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：童建平(1966—)，男，浙江建德人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閮x器儀表與檢測(cè)，E-mail：tong559@zjut.edu.cn.

基金項(xiàng)目：浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃)(2014R403012)；浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201329607)

收稿日期：2015-04-22