高压电源是核辐射探测仪器中必不可少的一部分,供给核辐射探测器件(如:正比计数管、GM计数管、光电倍增管以及半导体探测器等)高压,配合其它仪器做能谱分析或放射性强度测量之用。此外,高压直流电源也大范围的应用于各行各业,农业领域也有应用,例如农业环境静电除尘,静电喷雾杀虫,农业物料静电喷涂包裹,农产品加工中的静电植绒、农业生物静电效应研究、静电杀菌、农业种子静电处理等等。

  目前产生高压电源的方法大致分为两种:一种是模拟方法,另一种是数字方法。前者的稳压电路、调节电路和显示电路均采用模拟电路控制,而后者则是通过数字电路进行自动控制。传统的高压电源一般是通过调整十圈电位器和波段开关预置所需电压,电压值由电压表头指示,这种手工控制和指示方式有很多缺点:调整麻烦,不能很快获得所需电压,指针读数不精确,也不能在大负载和其他不正常的情况下自动监测和自身保护。另外,实验室中的仪器或设备,有些同学难免会乱动旋钮和开关,造成下次开机时因电压过高而损坏仪器。本文所介绍的数字系统采用键盘输入、程序控制、数码显示,能很好的解决以上问题。

  根据设计的基本要求,采用数模结合,智能控制方案完成数字式高压直流稳压电源的设计。系统可分为数字和模拟两部分,数字部分发挥单片机智能控制功能,并结合显示模块、按键控制模块、APD转换模块、DPA转换模块,使其完成对系统的智能控制,达到能自动控制电源输出电压的大小,实时测量电压并显示。模拟部分包括波形产生电路,倍压整流电路,取样电路,控制电路及外围元件组成。系统控制采用单片机完成,单片机结合软件编程完成LED显示、DPA转换、APD转换、键盘控制、实时电压测量等。单片机采用Atmal公司的AT89C52芯片,软件编程应用汇编语言。

  方案的原理与系统框图如图1所示。电路由两个PNP型三极管构成推挽型开关电路,波形发生电路产生两个幅度相等、相位相反的方波,分别加在两个开关管的基极,使得两个三极管轮流导通。当开关管导通的瞬间在Q、C、T组成的回路中产生一个很大的电流,根据楞次定律,由于电感两端电流不能突变,使变压器次极产生感应电压,这样初级的能量通过变压器传送到了次极,由于变压器是升压型,这样次极电压高于初级,经倍压整流达到设计所要求的电压。取样电路和键盘输入数据通过单片机处理后,经DPA转换调节电压控制电路,使变压器初级电压大小发生明显的变化,从而使得输出电压也相应的发生变化,达到所需要的电压值。

  振荡电路的原理图如图2所示,电路采取555定时器接成的多谐振荡器来产生所需一定大小的方波信号。从图中能够正常的看到:R2、R3、C2是振荡电路的定时元件,调节它们能得到不同的振荡频率;C1的作用是防止干扰电压对电路的影响。

  由于高压电源电路开关管与升压变压器工作于振荡状态,因此电路中会产生大量的高频高次谐波,为避免这些有害的干扰影响振荡电路和单片机的工作,一定要采用严格的隔离和滤波。

  隔离的方式有许多种,其中效果较为显著的主要有两种,一种是变压器隔离,一种是光电隔离。结合本系统,前者的优点是可当作开关管的前级推动变压器,使开关管获得足够的推动功率,从而能够减小开关管的损耗,但是,由于其体积较大,市场上很难买到符合标准要求的变压器,相比之下,后者体积小,价格实惠公道,因而得到了广泛的应用。本系统采用光电隔离技术,试验证明,光耦隔离可以轻松又有效的防止干扰脉冲影响振荡电路的工作。

  电路采用电压比较器作为驱动电路,它能产生一组幅度相等、相位相反的脉冲信号,分别加到两个开关管基极,很好的满足电路的要求。这种方式具有电路简单、驱动功率大、输出波形好的特点,从而避免了采用体积较大而笨重且绕制繁琐的变压器驱动。隔离与驱动电路原理图如图3所示。

  在图2中,在振荡器与开关管之间接入一光耦元件TLP601,它能有效的隔离高频干扰脉冲,保证振荡电路能正常工作。光耦随着三极管的导通而发光,从而使旁边的光敏三级管导通。电阻R33与R77分压,使得A点电位为2V左右,当Q1导通时,U3的③脚与U4的②脚电位几乎与电源电压VCC相等,因此,U3⑦脚输出为零电平,U4⑦脚输出为高电平,并且现两者的输出幅度相等。R66和R88是上拉电阻,它能有效的改善电压比较器的输出波形。

  主要考虑的有两点,一是开关频率,二是开关管参数的选择。开关管选择的恰当与否直接影响到整个电路的工作。

  开关管的选择与最大容许集电极电流Icm、集电极最大耗散功率Pcm、三极管的最大反向耐压有关。

  变换器振荡频率f,一般可在几千赫兹几十千赫兹范围内选择。结合本电路,作为室内使用仪器的供电电源,考虑频率高低的优缺点,考虑到变压器的绕制上的困难(初次制作,经验不足),决定选用十千赫兹左右。

  倍压整流电路适用于输出直流高电压、小电流的小功率整流。倍压整流有半波倍压整流和全波倍压整流。根椐本电路的设计的基本要求,采用了图4所示的电路。

  它是由高压整流堆D1、D2、D3、D4及倍压电容C5、C6、C7、C8构成的四倍压整流电路。

  图5为89C52单片机系统框图,单片机通过APD采样直流高压输出电压值,CPU对此值与预值电压比较,调整相应DPA转换,使实际输出电压与预值电压相同。

  程序设计最重要的包含键盘处理程序模块、APD转换程序设计模块、DPA转换程序设计模块、误差处理程序设计模块、报警状态输出模块等等。

  不同类型的探测器,所需要的供电高压的大小不同。例如闪烁探测器光电倍增管的供电高压一般在几百伏到1500伏的范围。而正比计数器GM计数管所需要的高压则多在1500伏以上,因此为了使仪器具有通用性,高压电源输出电压应能在相当大的范围内连续调节,经测试本系统高压连续调节的范围为300～3000伏,达到了设计的基本要求。