專利名稱：一種用于電磁生物效應(yīng)的線性可調(diào)高壓直流電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓電源，尤其是一種用于電磁生物效應(yīng)的線性可調(diào)高壓直流電源。
背景技術(shù)：
動植物電磁生物效應(yīng)是直接促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和改進(jìn)產(chǎn)品品質(zhì)的重要技術(shù)手段之一， 其研究需要大范圍、高精度直流電場，但目前使用的普通直流高壓電源存在輸出電場控制 精度低、范圍小、成本高等技術(shù)問題。比如，所使用的數(shù)控電源雖然操作方便，但是由其自身 數(shù)控特點所決定其輸出高電壓為階梯狀連續(xù)可調(diào)，而不是線性連續(xù)可調(diào)。 一個15kV的數(shù)控 電源，最小調(diào)節(jié)精度為60V，在要求高精度電壓輸出的電磁生物效應(yīng)中，其無法滿足需求。張 春林、嚴(yán)萍等二人的文章"基于DSP的數(shù)字化高壓直流電流的研究"(《高電壓技術(shù)》2008年 10月第34巻、第IO期)，給出了一種獲取高壓直流電壓的方法，其所采用的設(shè)備由低壓部 分、高壓部分以及將二部分連接的高頻變壓器組成，高頻變壓器輸出端連接倍壓電路，通過 該設(shè)備可得到較好的高壓直流電壓。但是，該文中變壓部分采用的為高頻高壓變壓器，絕緣 等級及安全性要求較高；該文中高壓部分的電壓等級較高，故使用的硅堆和高壓電容，成本 較高，維護也不太方便；該文中低壓部分采用的是常規(guī)開關(guān)電源技術(shù)，開關(guān)電源會產(chǎn)生大量 諧波，會對電網(wǎng)造成影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，在于克服現(xiàn)有的高壓直流電源輸出精度不高、最小調(diào)節(jié)精度數(shù)值 過大的不足，提供一種安全性高、成本較低、維護方便、且不會產(chǎn)生對電網(wǎng)造成影響的諧波 的高壓電源，該高壓電源不僅可以線性地連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓，而且能通過數(shù)字顯示方式方 便地讀取當(dāng)前輸出電壓的數(shù)值大小。 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本線性可調(diào)高壓直流電源由低壓部 分、高壓部分及連接兩部分的高頻變壓器組成，高頻變壓器輸出端連接高壓部分的倍壓電 路，其中，所述低壓部分包括-高頻功率模塊，用于進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換與信號調(diào)制，其輸出為高頻方波功率信號提供 給高頻變壓器，本模塊以功率運算放大器為核心，構(gòu)成電壓跟隨器與功率輸出系統(tǒng)；本模塊 包括-時鐘源電路l，用于提供通過功率變換所需的高頻功率信號，從而提供給高頻變 壓器進(jìn)行高頻升壓；-電壓調(diào)節(jié)電路8，其輸入端與時鐘源電路1的輸出端連接，用于調(diào)節(jié)整個高壓直 流電源的電壓輸出，且將輸出電壓限幅，防止輸出給放大電路的電壓過高，致使高壓端輸出 超過額定電壓；-緩沖器電路2，其輸入端與電壓調(diào)節(jié)電路8的輸出端連接，用于提高系統(tǒng)輸入阻 抗，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；
-放大電路3，其輸入端與緩沖器電路2的輸出端連接，用于將輸出電壓進(jìn)行放 大；-高頻功率輸出電路4，其輸入端與放大電路3的輸出端連接，其核心部件為功率 運算放大器，用于向高頻變壓器15提供輸出的線性電壓；-顯示接口電路5，與高頻功率輸出電路4連接，在其端口設(shè)置有顯示電路接口 7， 用于顯示模塊的連接；-顯示模塊，與高頻功率模塊的顯示電路接口 7連接，用于顯示輸出電壓；-大功率直流電源，與高頻功率模塊連接，用于為高頻功率模塊提供所需變換為高
頻功率信號的電能； 所述高壓部分18除包括倍壓電路16外，還包括高壓輸出電路17，其輸入端與倍壓 電路16的輸出端連接，用于為電磁生物效應(yīng)實驗提供穩(wěn)定、連續(xù)、精確的高壓靜電場，且設(shè) 有保護電阻，防止短路時電流過大，防止器件損壞； 所述連接低壓部分和高壓部分的高頻變壓器15為高頻低壓變壓器，其輸入端與 高頻功率模塊的高頻功率輸出電路4的輸出端連接，用于連接低壓與高壓部分，并對低壓 部分構(gòu)成電磁隔離保護，防止高壓干擾竄入低壓部分對低壓器件構(gòu)成永久性損傷；
本線性可調(diào)高壓直流電源的工作過程是大功率直流電源提供各個部分所需電 能。時鐘源電路為系統(tǒng)提供高頻信號輸送給電壓調(diào)節(jié)電路，電壓調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)高頻信號的 電壓幅值，使整個功率模塊輸出的電壓實現(xiàn)連續(xù)變化，得到線性電壓，再輸送給緩沖器電 路，緩沖器電路連接放大電路放大電壓值，將放大后的信號傳送給高頻功率輸出電路，使其 信號變?yōu)楦哳l功率信號，在高頻功率輸出端口處設(shè)計了顯示電路接口供顯示電路連接，輸 出電壓可在顯示模塊中觀察。高頻輸出端口連接高頻低壓變壓器，高頻低壓變壓器將低壓 高頻功率信號變換為高壓高頻功率信號，將此信號送給倍壓電路，使電壓得到進(jìn)一步提升 達(dá)到預(yù)定值，最后通過高壓輸出電路輸出給負(fù)載。由于高壓直流電源需要為電磁生物效應(yīng) 實驗提供穩(wěn)定、精確的高壓靜電場，其攜帶負(fù)載較小，其工作時電壓降A(chǔ)U和紋波系數(shù)Su 根據(jù)公式(1) 、 (2)計算: <formula>formula see original document page 4</formula>
<formula>formula see original document page 4</formula> 式中，i為負(fù)載電流；f為工作頻率；C為倍壓電容值；N為倍壓級數(shù)。為了防止操 作失誤使高壓電源短路或發(fā)生閃絡(luò)時將有非常大的瞬時電流通過，對功率運放與高壓部分 產(chǎn)生損傷，所以增加保護電阻R來進(jìn)行保護。 本發(fā)明的有益效果是，由于采用了電壓調(diào)節(jié)電路，使整個功率模塊輸出的電壓實 現(xiàn)連續(xù)變化，該輸出電壓線性連續(xù)可調(diào)，其線性度與穩(wěn)定性都優(yōu)于常規(guī)高壓直流電源，電能
轉(zhuǎn)換效率在80%以上。由于低壓部分與高壓部分之間采用高頻低壓變壓器，絕緣等級要求
相對較低，安全性更好。由于所使用的是常規(guī)器件，而非硅堆和高壓電容，故電壓等級較低， 方便維護，并且節(jié)約成本，在發(fā)生故障時也容易更換，且不會產(chǎn)生對電網(wǎng)造成影響的諧波。 輸出電壓可通過顯示模塊中觀察。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是高頻功率模塊結(jié)構(gòu)框圖； 圖3是實施例中高頻功率模塊電路圖； 圖4是實施例中顯示電路圖； 圖5是實施例中正負(fù)電源電路圖； 圖6是實施例中倍壓電路及高壓輸出電路圖。 圖中各標(biāo)記為1、時鐘源電路，2、緩沖器，3、放大電路，4、高頻功率輸出電路，5、 顯示接口電路，6、功率輸出電路端口 ， 7、顯示電路接口 ， 8、電壓調(diào)節(jié)電路，9、電壓輸入端口 ， 10、顯示電路，11、數(shù)碼管，12、7447顯示譯碼芯片，13、正負(fù)電源電路，14、高頻功率信號，15、 高頻低壓變壓器，16、倍壓電路，17、高壓輸出電路，18、高壓部分。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，但實施例不是對本發(fā)明的限定。
實施例，以一種用于電磁生物效應(yīng)實驗室的20kV線性可調(diào)高壓直流電源為例
在圖1中，本線性可調(diào)高壓直流電源分為低壓部分、高壓部分及連接部分。低壓部 分由高頻功率模塊、顯示模塊和大功率直流電源組成；高壓部分由倍壓電路與高壓輸出電 路組成；兩部分用高頻低壓變壓器連接使其對低壓部分構(gòu)成電磁隔離保護，防止高壓干擾 竄入低壓部分對低壓器件構(gòu)成永久性損傷。 電源部分負(fù)責(zé)為功率模塊和整個系統(tǒng)提供電能，由于使用了大功率運算放大器， 設(shè)計最高輸出功率為300W，峰值電流可達(dá)IOA，所以對電源的要求較高。本設(shè)計采用大功率 開關(guān)電源，輸出電壓為士40V、輸出功率500W直接為功率運放供電，其它芯片功耗都較小， 可采用常規(guī)穩(wěn)壓芯片將40V電壓變換為所需電壓。 在圖2中與圖3中，高頻功率模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換與信號調(diào)制，其輸出為高頻功 率信號14，該信號為方波，提供給高頻低壓變壓器15。其中，時鐘源1采用LM311電壓比較 器構(gòu)成30kHz時鐘源，通過功率變換得到高頻功率信號14，從而提供給高頻低壓變壓器15 進(jìn)行高頻升壓；緩沖器電路2和放大電路3由0P07通用高精度運算放大器組成，并且在緩 沖器電路2前向通道中設(shè)計了輸出電壓調(diào)節(jié)電路8，通過調(diào)節(jié)100kQ滑動變阻器，來調(diào)節(jié)整 個高壓直流電源的電壓輸出；通過調(diào)節(jié)前向通道上的電壓調(diào)節(jié)電路8，使整個功率模塊輸 出的電壓實現(xiàn)連續(xù)變化，從而達(dá)到了無級調(diào)壓的目的。電壓調(diào)節(jié)電路8將調(diào)節(jié)后的方波信 號傳送給緩沖器電路2 ;緩沖器電路2提高了放大電路3整體的輸入阻抗，還增強了系統(tǒng)的 抗干擾能力。功率輸出電路4采用0PA541功率運算放大器構(gòu)成，其核心部件為0PA541功率 運算放大器，該功率運算放大器工作電壓為士40V，正負(fù)電壓差不超過80V，最大輸出電流 為IOA，為了保證器件安全工作，需要在其輸出端設(shè)置短路保護電阻R，將電信號反饋給功 率運算放大器的l引腳。放大電路3中的放大倍數(shù)為11倍不可調(diào)。功率輸出電路4設(shè)計 為電壓跟隨器，確保系統(tǒng)達(dá)到最小輸出阻抗，設(shè)計為最高輸出電壓36V。在功率輸出電路4 端口 6設(shè)計了顯示接口電路5，其接口為7，交流信號經(jīng)過整流后輸出直流電壓，通過電容進(jìn) 行整形，再通過一個小負(fù)載對電容進(jìn)行實時放電，保證電容電壓隨輸出電壓同步變化，調(diào)節(jié) 10k Q滑動變阻器，使輸出端口電壓與高壓輸出端成線性關(guān)系，再通過連接顯示接口電路5進(jìn)行電壓顯示。供電壓輸入端口9連接。低壓部分所有電路均為共地。
在圖4中，系統(tǒng)實現(xiàn)0V-20000V范圍數(shù)字顯示，顯示精度為IV，采用ICL7135四位 半數(shù)碼管顯示芯片構(gòu)成顯示電路10 ;該芯片內(nèi)嵌14位AD轉(zhuǎn)換器，需要外部提供運行時鐘， 時鐘頻率為120kHz。顯示芯片將需要顯示的數(shù)字傳送給7447顯示譯碼芯片12,7447顯示 譯碼芯片12采用共陽極驅(qū)動數(shù)碼管ll，利用灌電流控制數(shù)字顯示，確保了顯示系統(tǒng)的穩(wěn)定 工作。電壓輸入端直接連接高頻功率模塊的顯示接口。 圖5為正負(fù)電源電路，在圖4中，顯示芯片需要正負(fù)兩種電源供電，故使用ICL7660 芯片通過正電源與電容組合構(gòu)成正負(fù)電源電路13，可輸出-5V電源為顯示電路10供電。
在圖6中，低壓部分與高壓部分18通過高頻低壓變壓器15連接，低壓部分產(chǎn)生 的高頻功率信號14傳送給高頻變壓器15，高頻低壓變壓器15功率為500W、工作頻率為 30kHz、轉(zhuǎn)換效率為90%，初級對次級耐壓為2500VAC/1MIN、初級電感量315uH、漏感量最大 3uH。當(dāng)輸入36V高頻功率方波給高頻變壓器時，其輸出電壓為720V。高頻低壓變壓器15 輸出電壓值最大為720V，再通過倍壓電路16將電壓提升到所需等級，因此倍壓電路16器件 的耐壓值不需要很高，不必采用硅堆、高壓電容等超高壓器件，不但節(jié)約了成本而且系統(tǒng)絕 緣等級在保證安全的情況下也可以相應(yīng)降低。高壓輸出17設(shè)置了保護電阻R防止操作失 誤使高壓電源短路或發(fā)生閃絡(luò)時將產(chǎn)生非常大的瞬時電流通過，使功率運放與高壓部分產(chǎn) 生損傷。倍壓電路與高壓輸出電路采用IN4007 二級管耐壓值為1200V、高壓電容耐壓值為 1400V組成。
權(quán)利要求
一種用于電磁生物效應(yīng)的線性可調(diào)高壓直流電源，由低壓部分、高壓部分及連接兩部分的高頻變壓器組成，高頻變壓器輸出端連接高壓部分的倍壓電路，其特征在于所述低壓部分包括-高頻功率模塊，用于進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換與信號調(diào)制，其輸出為高頻方波功率信號提供給高頻變壓器，本模塊以功率運算放大器為核心，構(gòu)成電壓跟隨器與功率輸出系統(tǒng)；本模塊包括-時鐘源電路(1)，用于提供通過功率變換所需的高頻功率信號，從而提供給高頻變壓器進(jìn)行高頻升壓；-電壓調(diào)節(jié)電路(8)，其輸入端與時鐘源電路(1)的輸出端連接，用于調(diào)節(jié)整個高壓直流電源的電壓輸出，且將輸出電壓限幅，防止輸出給放大電路的電壓過高，致使高壓端輸出超過額定電壓；-緩沖器電路(2)，其輸入端與電壓調(diào)節(jié)電路(8)的輸出端連接，用于提高系統(tǒng)輸入阻抗，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；-放大電路(3)，其輸入端與緩沖器電路(2)的輸出端連接，用于將輸出電壓進(jìn)行放大；-高頻功率輸出電路(4)，其輸入端與放大電路(3)的輸出端連接，其核心部件為功率運算放大器，用于向高頻變壓器(15)提供輸出的線性電壓；-顯示接口電路(5)，與高頻功率輸出電路(4)連接，在其端口設(shè)置有顯示電路接口(7)，用于顯示模塊的連接；-顯示模塊，與高頻功率模塊的顯示電路接口(7)連接，用于顯示輸出電壓；-大功率直流電源，與高頻功率模塊連接，用于為高頻功率模塊提供所需變換為高頻功率信號的電能；所述高壓部分(18)除倍壓電路(16)外，還包括高壓輸出電路(17)，其輸入端與倍壓電路(16)的輸出端連接，用于為電磁生物效應(yīng)實驗提供穩(wěn)定、連續(xù)、精確的高壓靜電場，且設(shè)有保護電阻，防止短路時電流過大，防止器件損壞；所述連接低壓部分和高壓部分的高頻變壓器(15)為高頻低壓變壓器，其輸入端與高頻功率模塊的高頻功率輸出電路(4)的輸出端連接，用于連接低壓與高壓部分，并對低壓部分構(gòu)成電磁隔離保護，防止高壓干擾竄入低壓部分對低壓器件構(gòu)成永久性損傷。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于電磁生物效應(yīng)的線性可調(diào)高壓直流電源，由低壓、高壓兩部分及連接兩部分的高頻低壓變壓器組成，低壓部分包括由依次連接的時鐘源電路、電壓調(diào)節(jié)電路、緩沖器電路、放大電路、高頻功率輸出電路組成的高頻功率模塊、顯示模塊和大功率直流電源；高壓部分包括倍壓電路和與之連接的高壓輸出電路，高頻低壓變壓器的初、次級分別與高頻功率輸出電路的輸出端和倍壓電路的輸入端連接。本直流電源輸出的電壓線性連續(xù)可調(diào)，其線性度與穩(wěn)定性都優(yōu)于常規(guī)高壓直流電源，因采用高頻低壓變壓器和使用常規(guī)器件，絕緣等級要求用電壓等級較低，安全性更好。方便維護，節(jié)約成本，在發(fā)生故障時易更換，且不會產(chǎn)生對電網(wǎng)造成影響的諧波。
文檔編號H02M3/24GK101697451SQ200910095080
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者姜濤, 張云偉 申請人:昆明理工大學(xué);