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变容二极管的工作原理及故障分析

变容二极管是根据普通二极管内部“PN结”的结电容能随外加反向电压的变化而变化这一原理专门设计出来的一种特殊二极管。变容二极管在无绳电话机中主要用在手机或座机的高频调制电路上,实现低频信号调制到高频信号上,并发射出去。在工作状态,变容二极管调制电压一般加到负极上,使变容二极管的内部结电容容量随调制电压的变化而变化。

变容二极管发生故障,主要表现为漏电或性能变差:

(1)发生漏电现象时,高频调制电路将不工作或调制性能变差。

(2)变容性能变差时,高频调制电路的工作不稳定,使调制后的高频信号发送到对方被对方接收后产生失真。

出现上述情况之一时,就应该更换同型号的变容二极管。

锂电池保护电路工作原理

中心议题:

锂电池过充电保护工作原理 锂电池过放电保护 锂电池过电流保护 锂电池短路保护


电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能,其工作原理分析如下:

1  正常状态

在正常状态下电路中N1的“CO"与“DO"脚都输出高电压,两个MOSFET都处于导通状态,电池可以自由地进行充电和放电,由于MOSFET的导通阻抗很小,通常小于30毫欧,因此其导通电阻对电路的性能影响很小。 此状态下保护电路的消耗电流为μA级,通常小于7μA。

2  过充电保护

锂离子电池作为可充电池的一种,要求的充电方式为恒流/恒压,在充电初期,为恒流充电,随着充电过程,电压会上升到4.2V(根据正极材料不同,有的电池要求恒压值为4.1V),转为恒压充电,直至电流越来越小。 电池在被充电过程中,如果充电器电路失去控制,会使电池电压超过4.2V后继续恒流充电,此时电池电压仍会继续上升,当电池电压被充电至超过4.3V时,电池的化学副反应将加剧,会导致电池损坏或出现安全问题。

在带有保护电路的电池中,当控制IC检测到电池电压达到4.28V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,其“CO"脚将由高电压转变为零电压,使V2由导通转为关断,从而切断了充电回路,使充电器无法再对电池进行充电,起到过充电保护作用。而此时由于V2自带的体二极管VD2的存在,电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。

在控制IC检测到电池电压超过4.28V至发出关断V2信号之间,还有一段延时时间,该延时时间的长短由C3决定,通常设为1秒左右,以避免因干扰而造成误判断。

3  过放电保护

电池在对外部负载放电过程中,其电压会随着放电过程逐渐降低,当电池电压降至2.5V时,其容量已被完全放光,此时如果让电池继续对负载放电,将造成电池的永久性损坏。

在电池放电过程中,当控制IC检测到电池电压低于2.3V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,其“DO"脚将由高电压转变为零电压,使V1由导通转为关断,从而切断了放电回路,使电池无法再对负载进行放电,起到过放电保护作用。而此时由于V1自带的体二极管VD1的存在,充电器可以通过该二极管对电池进行充电。

由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低,因此要求保护电路的消耗电流极小,此时控制IC会进入低功耗状态,整个保护电路耗电会小于0.1μA。

在控制IC检测到电池电压低于2.3V至发出关断V1信号之间,也有一段延时时间,该延时时间的长短由C3决定,通常设为100毫秒左右,以避免因干扰而造成误判断。

4  过电流保护

由于锂电池的化学特性,电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过2C(C=电池容量/小时),当电池超过2C电流放电时,将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。

电池在对负载正常放电过程中,放电电流在经过串联的2个MOSFET时,由于MOSFET的导通阻抗,会在其两端产生一个电压,该电压值U=I*RDS*2, RDS为单个MOSFET导通阻抗,控制IC上的“V-"脚对该电压值进行检测,若负载因某种原因导致异常,使回路电流增大,当回路电流大到使U>0.1V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,其“DO"脚将由高电压转变为零电压,使V1由导通转为关断,从而切断了放电回路,使回路中电流为零,起到过电流保护作用。

在控制IC检测到过电流发生至发出关断V1信号之间,也有一段延时时间,该延时时间的长短由C3决定,通常为13毫秒左右,以避免因干扰而造成误判断。

在上述控制过程中可知,其过电流检测值大小不仅取决于控制IC的控制值,还取决于MOSFET的导通阻抗,当MOSFET导通阻抗越大时,对同样的控制IC,其过电流保护值越小。

5  短路保护

电池在对负载放电过程中,若回路电流大到使U>0.9V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,控制IC则判断为负载短路,其“DO"脚将迅速由高电压转变为零电压,使V1由导通转为关断,从而切断放电回路,起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短,通常小于7微秒。其工作原理与过电流保护类似,只是判断方法不同,保护延时时间也不一样。

以上详细阐述了单节锂离子电池保护电路的工作原理,多节串联锂离子电池的保护原理与之类似,在此不再赘述,上面电路中所用的控制IC为日本理光公司的R5421系列,在实际的电池保护电路中,还有许多其它类型的控制IC,如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、台湾富晶的FS312和FS313系列、台湾类比科技的AAT8632系列等等,其工作原理大同小异,只是在具体参数上有所差别,有些控制IC为了节省外围电路,将滤波电容和延时电容做到了芯片内部,其外围电路可以很少,如日本精工的S-8241系列。 除了控制IC外,电路中还有一个重要元件,就是MOSFET,它在电路中起着开关的作用,由于它直接串接在电池与外部负载之间,因此它的导通阻抗对电池的性能有影响,当选用的MOSFET较好时,其导通阻抗很小,电池包的内阻就小,带载能力也强,在放电时其消耗的电能也少。

随着科技的发展,便携式设备的体积越做越小,而随着这种趋势,对锂离子电池的保护电路体积的要求也越来越小,在这两年已出现了将控制IC和MOSFET整合成一颗保护IC的产品,如DIALOG公司的DA7112系列,有的厂家甚至将整个保护电路封装成一颗小尺寸的IC,如MITSUMI公司的产品。

开关型手机充电器的工作原理

中心议题:

  1. RCC型开关电源与PWM型开关电源的区别
  2. 开关型手机充电器开关电源电路
  3. 开关型手机充电器充电控制电路分析
  4. 锂离子电池所用的材料
  5. 锂离子电池的工作机理及充电原理

本文详细介绍了一种开关型手机充电器的工作原理,对初学者了解具体的开关电源电路及充电控制电路很有意义。该充电器具有镍镉、镍氢、锂离子电池充电转换开关,并具有放电功能。在150~250V、40 mA的交流市电输入时,可输出300±50 mA的直流电流。根据实物绘出了工作原理图,供读者参考。

开关型手机充电器电路图

RCC型开关电源与PWM型开关电源的区别

该充电器采用了RCC型开关电源,即振荡抑制型变换器,它与PWM型开关电源有一定的区别。

PWM型开关电源由独立的取样误差放大器和直流放大器组成脉宽调制系统;而RCC型开关电源只是由稳压器组成电平开关,控制过程为振荡状态和抑制状态。

由于PWM型开关电源中的开关管总是周期性的通断,系统控制只是改变每个周期的脉冲宽度,而RCC型开关电源的控制过程并非线性连续变化,它只有两个状态:当开关电源输出电压超过额定值时,脉冲控制器输出低电平,开关管截止;当开关电源输出电压低于额定值时,脉冲控制器输出高电平,开关管导通。当负载电流减小时,滤波电容放电时间延长,输出电压不会很快降低,开关管处于截止状态,直到输出电压降低到额定值以下,开关管才会再次导通。开关管的截止时间取决于负载电流的大小。开关管的导通/截止由电平开关从输出电压取样进行控制。因此这种电源也称非周期性开关电源。

开关型手机充电器开关电源电路分析

220V市电经VD1~VD4桥式整流后在V2的集电极上形成一个300V左右的直流电压。由V2和开关变压器组成间歇振荡器。开机后,300V直流电压经过变压器初级加到V2的集电极,同时该电压还经启动电阻R2为V2的基极提供一个偏置电压。由于正反馈作用,V2 Ic迅速上升而饱和,在V2进入截止期间,开关变压器次级绕组产生的感应电压使VD7导通,向负载输出一个9V左右的直流电压。开关变压器的反馈绕组产生的感应脉冲经VD5整流、C1滤波后产生一个与振荡脉冲个数呈正比的直流电压。此电压若超过稳压管VD17的稳压值,VD17便导通,此负极性整流电压便加在V2的基极,使其迅速截止。V2的截止时间与其输出电压呈反比。VD17的导通/截止直接受电网电压和负载的影响。电网电压越低或负载电流越大,VD17的导通时间越短,V2的导通时间越长,反之,电网电压越高或负载电流越小,VD5的整流电压越高,VD17的导通时间越长,V2的导通时间越短。V1是过流保护管,R5是V2 Ie的取样电阻。当V2 Ie过大时,R5上的电压降使V1导通,V2截止,可有效消除开机瞬间的冲击电流,同时对VD17的控制功能也是一种补偿。VD17以电压取样来控制V2的振荡时间,而V1是以电流取样来控制V2振荡时间的。

开关型手机充电器充电控制电路分析

如果是为镍镉、镍氢电池充电,由于这类电池存在一定的记忆效应,需不定时对其进行放电。SW1是镍镉、镍氢、锂离子电池充电转换开关。SW1与精密基准电源SL431为运放LM324 ⑨提供两个不同的精密基准源,由SW1切换。在给镍镉、镍氢电池充电时,LM324 ⑨脚的基准电压约0.09V(空载);在给锂离子电池充电时,LM324 ⑨脚的基准电压约为0.08V(空载),这种设计是由这两种类型电池特有的化学特性决定的。按下SW2,V5基极瞬间得一低电平而导通,可充电池上的残余电压通过V5的e c极在R17上放电,同时放电指示灯VD14点亮。在按下SW2后会随即释放,这时可充电池上的残余电压通过R16、R13分压,C9滤波后为V4的基极提供一个高电平,V4导通,这相当于短接SW2。随着放电时间的延长,可充电池上的残余电压也越来越低,当V4基极上的电压不能维持其继续导通时,V4截止,放电终止,充电器随即转入充电状态。

由于锂电不存在记忆效应,当电池低于3V时便不能开机,其残余电压经电阻R40、R41分压后得到2.53V送入运算放大器的同相端③、⑤、⑩脚,由于LM324 ⑨脚电压在负载下始终为2.66V,因此⑧脚输出低电平,V3导通,+9V电压通过V3 e c极、VD8向可充电池充电。IC1 d在电容C6的作用下,{14}脚输出的是脉冲信号,由于IC1 ⑧脚为低电平,因此VD12处于闪烁状态,以指示电池正在充电,对应容量为20%。随着充电时间的延长,可充电池上的电压逐渐上升。当R40、R41的分压值约等于2.58V时,即IC1 ③脚等于2.58V时,IC1 ②脚经电阻分压后得2.57V,其①脚输出高电平(由于在充电时,IC1 ⑨脚电压始终是2.66V,V6导通;反之在空载时,IC1 ⑨脚为0.08V,V6截止),VD10、VD11点亮,对应指示容量为40%、60%。当R40、R41的分压值上升到2.63V时,即IC1 ⑤脚等于2.63V,其⑥脚经电阻分压后得2.63V,⑦脚输出高电平,VD9点亮,对应充电容量为80%。只有IC1 ⑩脚电压≥2.66V时,⑧脚才输出高电平,VD13点亮,对应充电容量为100%。即使VD13点亮时,VD12仍处于闪烁状态,这表示电池仍未达到完全饱和。只有IC1 ⑧脚电压>6.5V时,VD12才逐渐熄灭,表示电池完全充至饱和。

VD16在电路中起过充、过流保护作用,VD8起反向保护作用,避免充电器断电后,电池反向放电。

锂离子电池所用的材料

说到这个锂离子电池(一般我们所称的锂电池即锂离子电池,如果严格意义上来划分,锂电池包括锂离子电池和锂聚合物电池)呢,先来简单的介绍一下,所谓锂离子电池就是使用能够吸藏•脱离锂离子的碳材料作为负极活性物质的电池,锂离子符号为 Li-ion 。大家知道作为电池一般都是由正极,负极,隔膜,电解液等基本的元素组成,那么锂离子电池所用的这些材料一般是以下一些物质:

正极:钴酸锂(LiCoO2)、镍酸锂(LiNiO2)锰酸锂(LiMn2O4)等;

负极:人造石墨系列、天然石墨系列、焦炭系列等等;

隔膜:聚乙烯(PE)、聚丙稀(PP)等组成的单层或者多层的微多孔薄膜;

电解液:碳酸丙稀酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、二甲基碳酸酯(DMC)、二乙基碳酸酯(DEC)、甲基乙基碳酸酯(MEC)等组成的一元、二元或者三元的混合物

市场上所售的锂离子电池大多是以钴酸锂为正极,石墨系列为负极的电池。

锂离子电池的工作机理

锂离子电池的工作机理是:电池充电时,正极材料中的锂形成离子溶出,嵌入到负极改性石墨层中;电池放电时,锂离子从石墨层中脱嵌,穿过隔离膜回填到正极钴氧化锂的层状结构中。随充放电的进行锂离子不断的从正极和负极中嵌入和脱出,所以也有人称其为“摇椅电池”锂离子电池单体的额定电压为 3.6V,充电限制电压为 4.2V,放电限制电压为 2.5V 。

锂离子电池的充电过程

锂离子电池的充电过程分为两个步骤:先是恒流充电,其电流恒定,电压不断升高,当电压充到 4.2V 的时候自动转换为恒压充电,在恒压充电时电压恒定,电流是越来越小的直到充电电流小于预先设定值为止,所以有人用直充对手机电池进行充电的时候明明电量显示已经满格了,可是还是显示正在充电,其实这个时候的电压已经达到了 4.2V 所以电量显示为满格,那时就是在进行恒压充电过程,那么有人也许会问,为什么要进行恒压充电呢,直接用恒流充到 4.2V 不就行了吗,其实很容易解释,因为每一个电池都有一定的内阻,当用恒流进行充电到 4.2V 的时候,这个 4.2V 其实并不是电池实际的电压,而是电池的电压加上电池内阻上消耗的电压之和,如果电流很大那么在内阻上消耗的电压也就很大,所以那是实际电池的电压可能比 4.2V 小很多,所以要用恒压充电过程,把充电的电流慢慢降下来,这样电池的实际电压就很接近 4.2V 。

有源功率因数校正电路工作原理分析
中心议题: 升压型PFC电路原理及优缺点 降压型PFC电路原理及优缺点 升降压型PFC电路原理及优缺点 正激型PFC电路原理及优缺点 反激型PFC原理及优缺点
常用有源功率因数校正电路分为连续电流模式控制型与非连续电流模式控制型两类。其中,连续电流模式控制型主要有升压型(Boost)、降压型(Buck)、升降压型(Buck-Boost)之分;非连续电流模式控制型有正激型(Forward)、反激型(Fly back)之分,下面对这几种电路的工作原理分别加以介绍。

1.升压型PFC电路

升压型PFC主电路如图1所示,其工作过程如下:当开关管Q导通时,电流IL流过电感线圈L,在电感线圈未饱和前,电流线性增加,电能以磁能的形式储存在电感线圈中,此时,电容C放电为负载提供能量;当Q截止时,L两端产生自感电动势VL,以保持电流方向不变。这样,VL与电源VIN串联向电容和负载供电。
图1 升压型PFC主电路这种电路的优点是:
(1)输入电流完全连续,并且在整个输人电压的正弦周期内都可以调制,因此可获得很高的功率因数;
(2)电感电流即为输入电流,容易调节;
(3)开关管栅极驱动信号地与输出共地,驱动简单;
(4)输入电流连续,开关管的电流峰值较小,对输入电压变化适应性强,适用于电网电压变化特别大的场合。

主要缺点是输出电压比较高,且不能利用开关管实现输出短路保护。

2.降压型PFC电路

降压型PFC电路如图2所示,其工作过程如下:当开关管Q导通时,电流IL流过电感线圈,在电感线圈未饱和前,电流IL线性增加;当开关管Q关断时,L两端产生自感电动势,向电容和负载供电。由于变换器输出电压小于电源电压,故称为降压变换器。
图2 降压型PFC主电路这种电路的主要优点是:开关管所受的最大电压为输人电压的最大值,因此开关管的电压应力较小;当后级短路时,可以利用开关管实现输出短路保护。

该电路的主要缺点是:由于只有在输人电压高于输出电压时,该电路才能工作,所以在每个正弦周期中,该电路有一段因输人电压低而不能正常工作,输出电压较低,在相同功率等级时,后级DC/DC变换器电流应力较大;开关管门极驱动信号地与输出地不同,驱动较复杂,加之输人电流断续,功率因数不可能提高很多,因此很少被采用。

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203.升降压型PFC电路

升降压型PFC电路如图3所示,其工作过程如下:当开关管Q导通时,电流IIN流过电感线圈,L储能,此时电容C放电为负载提供能量;当Q断开时,IL有减小趋势,L中产生的自感电动势使二极管D正偏导通,L释放其储存的能量,向电容C和负载供电。
图3升压型PFC主电路该电路的优点是既可对输人电压升压又可以降压,因此在整个输入正弦周期都可以连续工作;该电路输出电压选择范围较大,可根据一级的不同要求设计;利用开关管可实现输出短路保护。

该电路的主要缺点有:开关管所受的电压为输入电压与输出电压之和,因此开关管的电压应力较大;由于在每个开关周期中,只有在开关管导通时才有输入电流,因此峰值电流较大;开关管门极驱动信号地与输出地不同,驱动比较复杂;输出电压极性与输入电压极性相反,后级逆变电路较难设计,因此也采用得较少。

提示:常用连续电流模式类功率因数校正芯片有TDA16888(PFC+PWM)、1PCS01(PFC)、L4981、FA4800(PFC+PWM)、UC3854、UCC3817、UCC3818等。

4.正激型PFC电路

正激型PFC电路如图4所示,当开关管Q导通时,二级管D1正偏导通,电网向负载提供能量,输出电感L储能。当Q关断时,L中储存的能量通过续流二极管D2向负载释放。

这种电路的优点是功率级电路简单,缺点是要增加一个磁复位回路来释放正激期间电感中的储能。
图4 正激型PFC主电路5.反激型PFC电路

反激型PFC电路如图5所示,当开关管Q导通时,输入电压加到高频变压器B1的原边绕组上,由于B1副边整流二极管D1反接,副边绕组中没有电流流过,此时,电容C放电向负载提供能量。当开关管Q关断时,绕组上的电压极性反向,二极管D1正偏导通,储存在变压器中的能量通过二极管D1向负载释放。

这种电路的优点是功率级电路简单,且具有过载保护功能。
图5 反激型PFC主电路
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LCR测量仪在阻抗测量中的应用

中心议题:LCR测量仪的工作原理及阻抗测量特点 利用LCR测量仪测量电容和电感

解决方案:LCR测量仪测量电容 LCR测量仪测量电感

本文介绍了LCR 测量仪的工作原理及其阻抗测量的特点,分析了信号源输出阻抗、寄生分布参数对阻抗测量结果的影响, 指出电容、电感测量中应注意的一些问题。

1 引言

电感、电容和电阻等阻抗元件的测量是电子测量技术的基础, 其测量结果准确与否将直接影响到整机的质量。通常人们将电感、电容、电阻测量仪称为LCR 测量仪, 或者也称之为阻抗分析仪。由于LCR 测量仪使用方便, 因此被人们广泛采用。

目前LCR 测量仪的发展速度非常快, 几乎取代了所有手动式电子元件测试仪器, 其测量精度不断提高(高达±0.02 %), 频率范围不断拓宽(从20 Hz到数GHz); 其测量参数也越来越多。在电子元件测试领域, LCR 测量起着非常重要的作用, 其测量结果可靠与否将直接影响电子元件的质量乃至电子产品和电气产品的技术性能。然而, 由于不少使用者对阻抗测量的特点以及LCR 测量仪的原理不熟悉而导致测量结果的不一致, 不可靠的情况在实际工作中经常发生。特别是对高介电系数陶瓷电容器、带磁芯的电感器进行测量时这种情况尤为突出, 我们在实际工作中多次遇到元件制造商与元件使用厂商由于测量结果不一致而导致退货纠纷的情况。本文通过对LCR 测量仪的原理及阻抗测量的影响因素分析, 提出电感电容测量中应采取的正确方法及注意事项。

2 LCR 测量仪的组成分析

LCR 测量仪的组成原理为自动平衡电桥理论,其结构主要由三部分组成, 分别为信号源、自动平衡桥和矢量比检测器。

信号源部分产生测试信号, 测试信号频率可从40 Hz 到110 MHz, 输出信号电平为5 mV 到1 V,由一个微处理器控制频率合成器来提供高分辨率的测试信号, 信号电平由一个衰减器来进行调整。

自动平衡桥部分根据通过测试件的电流来调整通过量程电阻的电流,使在测试件DUT 的低电压端维持零电位,这时叫电桥平衡。当电桥不平衡时,零检测器就检测到一个电流,同时相位检测器把这信号分成00 和900 分量,这两个分量通过环路滤波器反馈给调节器来控制00 和900 的分量信号,结果信号被放大并反馈给量程电阻来抵消通过零检测器的电流,从而达到电桥平衡。

矢量比检测器测量加在被测件上的矢量电压Udut 和量程电阻上的矢量电压Urr, 由于量程电阻值是已知的, 所以测量这两个电压就能得到矢量阻抗Zx =Rr ×(Udut/Urr)。

阻抗是评测电路、元件以及制作元件的材料性能的重要参数, 阻抗Z 通常定义为给定频率下对流经电路或元件的交流电流的抵抗能力, 它用矢量平面上的复数表示, 一个阻抗矢量包括实部(电阻R) 和虚部(电抗X)。通常可表示为Z=R+jX, 为确定阻抗, 我们至少需要测量两个值, 因为阻抗是一个复数。许多现代的阻抗测量仪测量阻抗的实部和虚部, 然后将它们转换成所需要的参数,如Z、C、L、R、G、B 等。

所有的电路元件既不是纯粹的电阻性元件, 也不是纯粹的电抗性元件, 而是这些阻抗成分的组合。因为所有真实世界的器件都存在寄生参数, 电阻中有不希望的电感, 电容器中有不希望的电阻,以及电感器中有不希望的电容等。当然, 不同的材料和制造技术会造成不同大小的寄生参数, 以至影响到元件的可使用性, 以及所能确定电阻、电容和电感量值的准确程度。

一个真实世界的元件包含许多寄生参数。作为元件主要参数和寄生参数的组合, 一个元件就好比一个复杂电路。

3 电容器的测量

电容器是电子电路中使用的一种基本元件。电容器的基本结构是在两个极间夹一层介质材料, 各种实用电容器可按它的介质类型分类, 不同类型的电容器有不同的性能特征, 电容量C、损耗因素D 和等效串连电阻(ESR) 是通常需要测量的参数。

电容器的典型等效电路如图1 所示, 在该电路中, 电容量C 是电容器的主要成分, Rs 和L 是引线和电极中存在的寄生参数, Rp 代表两个电极间的寄生泄漏参数。

当我们进行电容器测量时, 必须考虑这些寄生量。阻抗测量仪器使用串联模式(Cs-D、Cs-Rs)或并联模式(Cp-D、Cp-Rp) 来测量电容。由于寄生参数的存在, 造成所显示的电容值并不总是等于实际电容值C。例如, 当使用Cs-Rs 模式测量图1 所示的电容器电路时, 显示的电容值用图2的复杂公式表示。只有当Rp 值足够高, 并且L 的电抗可以忽略时, Cs 才等于Co。在高频区能看到L 的影响, 在这种情况下就不能忽略L。对于高值电容器, 与C 值并联的电抗远低于Rp。对于低值电容器, Rp 本身就很高, 所以, 大多数电容可用图3 表示。

在电容器的测量中, 应注意的事项与被测电容量有关, 高值电容测量属于低阻抗测量, 因此必须把接触电极、测试夹具和电缆中的接触电阻及残余阻抗减到最低, 应使用4 端、5 端或4 端对配置把DUT 接到仪器上。在使用4 端和5 端配置时, 必须确保高测试信号电流流过电缆, 为避免电磁场耦合的影响, 按图4 所示的方式来连接电缆;此外, 为进行精确测量, 应正确使用开路、短路补偿。特别是对于施加直流偏置电压的电解电容器,应在直流偏置设置为ON (0 V) 时进行开路/短路补偿。

低值电容测量属于高阻抗测量。接触电极间杂散电容比残余阻抗有更大的影响, 使用3 端(屏避2T)、5 端(屏避4T) 或4 端对(4TP) 法, 正确的接地技术和开路/短路补偿可以把杂散电容的影响减到最小。

除电容量外, 损耗因素D 和等效串联电阻ESR 也是需要测量的重要的电容器参数, 对低D 值和低ESR 值的测量必须给予特别的注意。即使使用4端配置, 测试夹具和电缆间的接触电阻和残余阻抗也会影响测量结果。

对于高介电系数材料瓷介电容器的测量, 特别要注意测量条件的完全一致, 才能得到一致的测量结果。如有一批高介电系数材料片状电容器, 规格为1 μF, 其产品的技术规范规定测量电容量的技术条件为频率1 kHz, 测量电压为1 V, 生产厂商和使用厂的测量结果不一致而起纠纷, 他们起初认为对方仪器有问题, 后来他们各自拿出仪器近期校准合格证书来证明自己的仪器是准确的; 由于仪器是在我中心校准的, 所以他们找到我们要求给予仲裁。

其实, 这种情况我们已经遇到多次, 是由于大家对仪器的原理和产品的特性了解不深而造成的。

由于不同型号的仪器信号源有不同的输出阻抗, 典型的输出阻抗有100 Ω、300 Ω、30 Ω 等, 加上被测件后, 源阻抗和被测件阻抗进行分压, 所以加在被测件上的电压不是仪器设定电压1 V, 而是源阻抗和被测件阻抗进行分压后的电压值, 由于源阻抗不同, 造成实际加在被测件的的电压不同, 而该电容器又对测量电压很敏感, 故测量结果有很大的不同。

4 电感器的测量

电感器由缠绕在磁芯上的导线构成, 其特性则由所使用的磁芯材料决定。空气是构成电感器最简单的磁性材料, 但为使电感器具有更高的电感量,经常用铁、铁氧体等磁性材料做磁芯。电感器的典型等效电路如图5 (a) 所示, 图中Rp 代表磁性的铁耗, Rs 代表导线的铜耗, C 是绕线间的分布电容。对于低值电感应使用图5 (b) 所示的等效电路。由于L 值很小, 绕组间的分布电容就成了主要的影响因素。

有时, 使用不同的仪器会得到不同的电感测量结果。其原因是:

a) 测试信号电流的影响。

磁性电感器与测试信号电流的关系如图6 (a)所示。电感量随测量电流的大小而不同, 即使将两台不同的仪器设置为同样的输出电压, 如果它们的源阻抗不同, 它们的输出电流也将不同, 请参考图6 (b)。有些磁性电感器的电感量与流过电流的关系很大, 电流的变化可导致电感值成倍地变化。我们多次遇到元件制造厂与元件使用厂家的纠纷就源于此。他们用不同的仪器测量同一产品的结果有很大的不同, 进而怀疑仪器有问题, 但仪器经过我们计量校准是合格的。其实就是因为仪器的源阻抗不同而导致通过测试件的电流不同, 测量结果当然也就不一致。因此一些高档的LCR 表有电压、电流监视器功能, 可监测实际加在测试件上的电压及流过测试件的电流。

b) 使用的测试夹具的影响。

当电感器旁边有金属物体时, 电感器的泄漏磁通将在金属中产生涡流。不同的测试夹具由于大小和形状的不同, 所产生的涡流幅度也不同, 从而造成不同的测量结果, 这对测量磁通开路的电感器尤为重要。

c) 电感器的影响。

有些仪器使用厂家自己绕制一些电感器作为校准LCR 表的标准器, 也往往会得出不正确的结果。

因为这类电感器大多采用直线管形结构, 甚至采用磁性材料作为骨架, 或者直接用电感器产品作为标准器。这种电感器的致命缺点是电感值与测量电流大小有关, 不能抗电磁干扰, 稳定性差, 其电感值受环境条件的影响极大。现在的标准电感器一般采用环形电感线圈, 辅之于电磁屏蔽以解决电感器抗电磁干扰, 采用非磁性骨架材料与温度补偿技术,克服一般电感器的缺点, 可用来校准LCR 测量仪。

5 结束语

LCR 测量仪作为一种广泛使用的基础测量仪器, 只有正确掌握其测量方法及阻抗测量的特点,才能得到可靠、准确的结果。

锁相环的组成和工作原理

中心议题: 探究锁相环的组成和工作原理 锁相环在调制和解调中的应用 锁相环在调频和解调电路中的应用 
1.锁相环的基本组成

许多电子设备要正常工作,通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步,利用锁相环路就可以实现这个目的。

锁相环路是一种反馈控制电路,简称锁相环(PLL)。锁相环的特点是:利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。

因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪,所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中,当输出信号的频率与输入信号的频率相等时,输出电压与输入电压保持固定的相位差值,即输出电压与输入电压的相位被锁住,这就是锁相环名称的由来。

锁相环通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成,锁相环组成的原理框图如图8-4-1所示。锁相环中的鉴相器又称为相位比较器,它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差,并将检测出的相位差信号转换成uD(t)电压信号输出,该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC(t),对振荡器输出信号的频率实施控制。 
2.锁相环的工作原理

锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成,利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图8-4-2所示。

鉴相器的工作原理是:设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为:
 式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率,称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压uD为:
用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉,剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC(t)。即uC(t)为: 
式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率,θi(t)和θO(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时位相,根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为: 上式等于零,说明锁相环进入相位锁定的状态,此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态,uc(t)为恒定值。当上式不等于零时,说明锁相环的相位还未锁定,输入信号和输出信号的频率不等,uc(t)随时间而变。

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00因压控振荡器的压控特性如图8-4-3所示,该特性说明压控振荡器的振荡频率ωu以ω0为中心,随输入信号电压uc(t)的变化而变化。该特性的表达式

上式说明当uc(t)随时间而变时,压控振荡器的振荡频率ωu也随时间而变,锁相环进入“频率牵引”,自动跟踪捕捉输入信号的频率,使锁相环进入锁定的状态,并保持ω0=ωi的状态不变。

8.4.2锁相环的应用

1.锁相环在调制和解调中的应用

(1)调制和解调的概念

为了实现信息的远距离传输,在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制,收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。
所谓的调制就是用携带信息的输入信号ui来控制载波信号uC的参数,使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。载波信号的参数有幅度、频率和位相,所以,调制有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种。

调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等,幅度随输入信号幅度的变化而变化;调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等,频率随输入信号幅度的变化而变化;调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等,相位随输入信号幅度的变化而变化。调幅波和调频波的示意图如图8-4-4所示。
上图的(a)是输入信号,又称为调制信号;图(b)是载波信号,图(c)是调幅波和调频波信号。

解调是调制的逆过程,它可将调制波uO还原成原信号ui。
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002.锁相环在调频和解调电路中的应用

调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。由8-4-6式可知,压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率ω0相等时,压控振荡器输出信号的频率将保持ω0不变。若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的信号uc外,还有调制信号ui,则压控振荡器输出信号的频率就是以ω0为中心,随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。由此可得调频电路可利用锁相环来组成,由锁相环组成的调频电路组成框图如图8-4-5所示。根据锁相环的工作原理和调频波的特点可得解调电路组成框图如图8-4-6所示。3.锁相环在频率合成电路中的应用

在现代电子技术中,为了得到高精度的振荡频率,通常采用石英晶体振荡器。但石英晶体振荡器的频率不容易改变,利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术,可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路;输出信号频率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。锁相倍频和锁相分频电路的组成框图如图8-4-7所示。

全固态发射机的开关电源的分类、工作原理及性能分析

中心议题:

  • 全固态发射机的开关电源分类
  • 全固态发射机开关电源的工作原理及性能
  • 全固态发射机开关电源的原理及维修方法
  • 电视台发射机电源应满足的技术指标


全固态发射机,除了信号指标的提升外,体小量轻、高效低耗、积木式结构维护简单是它的显着优点,其供电方式采用六只26V/100A 开关电源分别为六路末级功放供电。开关电源是整个发射系统的能量保障,本文介绍全固态发射机的开关电源分类、工作原理、优缺点以及维修方法等。

一、开关电源按照控制原理可以分为四类

1、脉冲宽度调制(简称PWM、即脉宽调制)式:工作方式为开关周期为恒定值,通过调节脉冲宽度来改变占空比,实现稳压的目的。

2、脉冲频率调制(简称PFM, 即脉频调制)式:工作方式为脉冲宽度为恒定,通过调节开关频率来改变占空比。

3、脉冲密度调制(简称PDM,即调密制)式:其特点工作方式是脉冲宽度为恒定,通过调节脉冲数实现稳压的目的。这种调制方式需采用零电压技术,能显着降低功率开关管的功耗。

4、混合调制式(即脉冲宽度调制和脉冲频率调制两种方式相结合)开关周期和脉冲宽度都不固定,均可调节。

以上四种方式统称为"时间比率调制"(即TRC 方式)。其中脉冲宽度调制方式技术最为成熟,应用也最为广泛。如早期产品CW1525A、1527A, 近期产品T494、UC3842 等均为脉冲宽度调制。

二、开关电源的工作原理及其性能

以上四种调制方式以脉冲调宽开关电源在实际应用中最为广泛。基本构成如图1- 1 所示,主要由以下6 部分组成。

接入交流电网(50Hz ,220V AC 或者115VAC)经EMI 防电磁干扰电源线滤波器,直接整流滤波变成直流,再经变换器将直流电压(275V 或172V)变换为数十KHz 或数百KHz的高频方波或准方波电压控制功率开关管,经高频率变压器隔离、降压(或升压),再经高频整流滤波后输出直流电压,经取样、比较、放大控制PWM 调制器驱动功率开关管的占空比。从而可以得到稳定的输出电压。

通过以上介绍我们基本了解了开关电源的分类及其脉冲宽度调制类型的基本构成。但在实际运用中,PWM 制式开关电源有两种控制类型,一种是电压控制方式,一种是电流控制方式。电流控制方式开关电源是在电压控制环路基础上又增加电流控制环路。基本原理如图1- 2(a , b)所示:

 

通过接入源极, 反馈电阻Rs 去控制电流检测比较器。Us 为电流检测电阻压降,此时PWM 比较器为电流检测比较器。电流控制型通过检测电阻来检测电流,并且可逐个周期的限制电流,便于实现过流保护。固定频率的时钟脉冲将PWM 锁存器置位,从Q 端输出的驱动信号为高电平,使功率开关管VT 导通,高频变压器一侧电流线性地增大。当电流检测电阻Rs 上的压降达到并超过Us 时,电流检测比较器翻转,输出的高电平将锁存器复位。从Q端输出的驱动信号变为低电平,令开关管关断直到下一个时钟脉冲使PWM 所存器置位。电流控制型开关电源具有以下优点:

(1)它属于双闭环控制系统,外环由电压反馈电路构成,内环由电流反馈组成,并且电流反馈电路受电压反馈的控制。与纯电压反馈电路相比,电流反馈电路的增益带宽更大。

(2)对输入电压瞬时变化的响应速度快,当输入电压发生变化时能迅速调整输出电压以达到稳定值。这是因为输入电压的变化会导致高频变压器一侧电感电流发生变化,进而使Us 改变,无须经过误差放大器,直接通过电流检测比较器就能改变输出脉冲的占空比。

(3)电压控制环和电流控制环双重控制下,可提高电压调节技术指标。简化误差放大器补偿网络的设计。

(4)只要电流保护设定阀值,PWM 电流比较器就会动作,使功率开关管关断,维持输出电压稳定。电流控制型本身带有限电流保护,只需改变Rs 值,即可精确设定限电流阀值。

此电流控制型电路也存在许多不足的地方:如电路较电压控制型复杂,给电路问题分析带来了困难。当占空比超过50%时,高频变压器一侧电感工作在连续储能模式,开关电流信号的上升斜率较小,可能造成控制电路工作不稳定,需加斜率补偿。对噪声抑制能力较差,只要在电流信号上叠加较小噪声,就容易导致PWM 控制器误动作,需增加噪声抑制电路等。

三、固态发射机中开关电源原理及维修

以上是开关电源基本原理和控制方式的介绍,结合我们实际工作中固态发射机开关电源控制方式以及理论理解,使我对大功率开关电源原理、整体控制方式有了进一步的认识。现以5kW- 14CH 大功率合放式全固态电视发射机直流26V/100A 正激开关电源变换器的工作原理和维修方法来简单介绍一下,如图1- 3 所示:

输入电压220V AC 经过输入防电磁干扰滤波器,经过整流电路、开机浪涌电流启动保护电路和滤波电路,产生280V 左右的直流电压,供给变换器单元。控制单元包括电压、电流比较放大器,PWM 比较器,辅助电源等,它控制一个双晶体管正激变换器,从而达到稳定输出电压目的,经变压器耦合向负载传输能量

对于大功率输出开关电源变换器,常用还有全桥变换器、半桥变换器等。双晶体管正激变换器也是一种单端变换电路,它不像半桥、全桥变换器等双端电路,其变压器不易饱和,同时驱动简单,是大功率开关电源较为理想电路之一。

通过以上简单原理介绍,我们就可以对开关电源的检修有一定的帮助。现在我以图1- 3为参考介绍一下开关电源的几种简单维修方法:

1、询问法:根据工作人员在现场发现的开关电源的异常情况的叙述加以分析,从中分析开关电源的问题所在。例如,开关电源输入功率较大时,每台开关电源需要增加风冷或者水冷,一般开关电源为风冷,当风扇出现故障时,开关电源内部热量剧增,出现异味,当温度升至设定保护值时,开关电源停止工作,无电压输出,停机重启一段时间后又重复出现故障。

此时我们可以通过检查热保护功率管散热元件,看温升情况,同时检查冷却风扇就可以找到问题的根源所在。反之如果电压电流温升正常应检查温控电阻及CW1525 温控保护电路。

从上我们可以知道通过询问现场工作人员开关电源的工作状态,会给我们维修带来许多珍贵信息,为维修带来方便。


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2、观察法:通过观察开关电源的每一个器件状态是否正常,特别是功率型器件是否出现短路、烧爆、及开路状况,我们可以根据不同异常点来分析判别故障点,从而判断出开关电源损坏部位。例如图1- 3 中T1、T2 出现烧爆,我们就可以直观分析出双功率MOSFET 烧坏。

此时可以判别出有以下几种原因烧坏此管。
(1):双功率管自身性能变差。
(2):变压器初级B1出现短路现象。
(3):RCD 缓冲保护电路损坏。
(4):过流短路保护电路损坏。

双功率管修复时除了检查保护电路、变压器外,还应该检查双管栅极驱动电路,因为烧坏双功率管时短路电流较大,还可能造成其输入电路的损坏,此时应检查输入整流浪涌保护电路是否完好。通过观察可以迅速判断开关电源损坏部分,为快速修复开关电源提供直观修复方法。

3、测量对比法:通过检测各点正常电压加以比较就判别出故障部位。如开关电源无电压输出,此时各点测量输入回路电压、辅助电源。

当辅助电源无电压输出时,CW1525 驱动电路无法工作,开关电源无电压输出,应检修辅助电源,当辅助电源正常,应检查CW1525 驱动输出电路, 可采用断开驱动栅极方法辨别CW1525 驱动电路的好坏,同时采用分段测量方法检查双功率管是否开路,重点检查CW1525 控制电路、热保护电路、过压保护电路等,以上几种电路中只要有一种出现故障,均会出现无电压输出。又如输入电压正常,轻载工作正常,当测量时,加载电流达到实际输出电流的80%时,输出电压正常无下降状况,开关电源突然关断,无电压输出,减载开机输出电压正常。对此可判别出是因短路过载取样电路电压出现故障。正常情况下,一般取样分流电阻增大,使互感器经二极管D1、D2 两端电压升高,短路保护提前动作所致。合理调整D1、D2 两端分流电阻R3 阻值就达到修复此故障的目的。

通过以上几种处理故障维修方法在实际中的运用,就完全可以提高自己对开关电源原理的理解,从而在加深原理理解后,运用原理去指导发现、处理故障的新方法,以提高自己的业务水平。

四、电视台发射机电源应满足的技术指标

1、电视台发射机功率一般都比较大,少则几KW,多则几十KW,选择开关电源时,应首先考虑其运行的可靠性,常采用多台并联均流供电方式。要求开关电源的并联均流不平衡度≤±3%,电视台用发射机是变量负载,所以选择开关电源时应选用瞬变负载能力较强的开关电源。

2、开关电源在工作中会产生高次谐波、纹波系数,它们必须满足台用发射机的技术要求,否则会影响发射机的发射性能。单台机器的纹波系数应<50mv,对谐波干扰要求必须满足欧美EN55022B、U1950 及我国3C 认证标准。

3、为适应节能环保技术要求,应选用功率因数>0 . 98 ,工作效率>90%的开关电源。

4、单台开关电源负载功率密度≥0.28W/cm3.

5、单台开关电源输出最大功率时,叠加在直流电压上的纹波电压的峰峰值应<50mV.

6、开关电源在空载开机时,输出会产生超过额定电压值的瞬时过冲,此过冲值应<1V.

7、电源模块的负载从满载(指最大输出电流Io=100A)突然跌落到空载(或接近空载)成为重减载,此时输出会产生超出额定电压值的瞬时过冲,此过冲值应<1V.

8、电源储存的环境温度为- 50℃ ~+65℃ ; 电源工作的环境温度为- 40℃ ~+55℃。

五、结束语

合理选择电路技术参数,可以满足现代化电视台发射机电源的功率因数、效率、体积、重量等性能要求。良好的开关电源可使电源在恶劣环境下正常工作。双晶体管正激变换器中,控制电路采用电压、电流双闭环反馈电路,使电源的动态性能优越,可自动限制输出电流,从而实现过流保护,又能在负载突变的情况下实现输出电压的稳定,确保发射机安全可靠运行。

开关稳压电源的基本工作原理和各种电路类型

中心议题:

  • 开关式稳压电源的基本工作原理
  • 开关式稳压电源的原理电路


开关式稳压电源的效率可达85% 以上,稳压范围宽,除此之外,还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点,是一种较理想的稳压电源。因此,开关式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中。本文介绍开关式稳压电源的基本工作原理及各种类型的开关式稳压电源电路。

一、开关式稳压电源的基本工作原理

开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种,在实际的应用中,调宽式使用得较多,在目前开发和使用的开关电源集成电路中,绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。

调宽式开关稳压电源的基本原理可参见下图。

对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高。直流平均电压U。可由公式计算,
即Uo=Um×T1/T
式中Um为矩形脉冲最大电压值;T为矩形脉冲周期;T1为矩形脉冲宽度。

从上式可以看出,当Um 与T 不变时,直流平均电压Uo 将与脉冲宽度T1 成正比。这样,只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄,就可以达到稳定电压的目的。

二、开关式稳压电源的原理电路

1. 基本电路


开关式稳压电源的基本电路框图如图二所示。


图二 开关电源基本电路框图

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交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成含有一定脉动成份的直流电压,该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

控制电路为一脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化,制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压的目的。

2. 单端反激式开关电源

单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激,是指当开关管VT1 导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时,变压器T初级绕组中存储的能量,通过次级绕组及VD1 整流和电容C滤波后向负载输出。

单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路,输出功率为20-100W,可以同时输出不同的电压,且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。

单端反激式开关电源使用的开关管VT1 承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍,工作频率在20-200kHz之间。

3. 单端正激式开关电源

单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似,但工作情形不同。当开关管VT1导通时,VD2也导通,这时电网向负载传送能量,滤波电感L储存能量;当开关管VT1截止时,电感L通过续流二极管VD3 继续向负载释放能量。

在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2,它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件,即磁通建立和复位时间应相等,所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。由于这种电路在开关管VT1导通时,通过变压器向负载传送能量,所以输出功率范围大,可输出50-200 W的功率。电路使用的变压器结构复杂,体积也较大,正因为这个原因,这种电路的实际应用较少。


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4. 自激式开关稳压电源

自激式开关稳压电源的典型电路如图五所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源,也是目前广泛使用的基本电源之一。

当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流,使VT1开始导通,其集电极电流Ic在L1中线性增长,在L2 中感应出使VT1 基极为正,发射极为负的正反馈电压,使VT1 很快饱和。与此同时,感应电压给C1充电,随着C1充电电压的增高,VT1基极电位逐渐变低,致使VT1退出饱和区,Ic 开始减小,在L2 中感应出使VT1 基极为负、发射极为正的电压,使VT1 迅速截止,这时二极管VD1导通,高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时,L2中没有感应电压,直流供电输人电压又经R1给C1反向充电,逐渐提高VT1基极电位,使其重新导通,再次翻转达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样,由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。

自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从,也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态,具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源,亦适用于小功率电源。

5. 推挽式开关电源

推挽式开关电源的典型电路如图六所示。它属于双端式变换电路,高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2,两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止,在变压器T次级统组得到方波电压,经整流滤波变为所需要的直流电压。

这种电路的优点是两个开关管容易驱动,主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大,一般在100-500 W范围内。


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6. 降压式开关电源

降压式开关电源的典型电路如图七所示。当开关管VT1 导通时,二极管VD1 截止,输人的整流电压经VT1和L向C充电,这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,经负载RL和续流二极管VD1释放电感L中存储的能量,维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。

这种电路使用元件少,它同下面介绍的另外两种电路一样,只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

7. 升压式开关电源

升压式开关电源的稳压电路如图八所示。当开关管 VT1 导通时,电感L储存能量。当开关管VT1 截止时,电感L感应出左负右正的电压,该电压叠加在输人电压上,经二极管VD1向负载供电,使输出电压大于输人电压,形成升压式开关电源。

8. 反转式开关电源

反转式开关电源的典型电路如图九所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压,电路均能正常工作。

当开关管 VT1 导通时,电感L 储存能量,二极管VD1 截止,负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时,电感L中的电流继续流通,并感应出上负下正的电压,经二极管VD1向负载供电,同时给电容C充电。

三 总结

以上介绍了脉冲宽度调制式开关稳压电源的基本工作原理和各种电路类型,在实际应用中,会有各种各样的实际控制电路,但无论怎样,也都是在这些基础上发展出来的。

 

温度传感器工作原理及其应用

中心议题:

  • 温度传感器工作原理及其应用
  • 学习传感器前置放大电路

解决方案:

  • 从传感器前置放大电路输出的信号


使用温度传感器为 PT100,这是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在 -200℃ 至 650℃ 的范围.本电路选择其工作在 -19℃ 至 500℃ 范围.

整个电路分为两部分,一是传感器前置放大电路,一是单片机 A/D 转换和显示,控制,软件非线性校正等部分.

前置放大部分原理图如下:

工作原理:

传感器的接入非常简单,从系统的 5V 供电端仅仅通过一支 3K92 的电阻就连接到 PT100 了.这种接法通常会引起严重的非线性问题,但是.由于有了单片机的软件校正作为后盾,因此就简化了传感器的接入方式.

按照 PT100 的参数,其在 0℃ 到 500℃ 的区间内,电阻值为 100 至 280.9Ω,我们按照其串联分压的揭发,使用公式:Vcc/(PT100+3K92)* PT100 = 输出电压(mV),可以计算出其在整百℃时的输出电压,见下面的表格:

温度 ℃

PT100 阻值 Ω

传感两端电压 mV

0

100.00

124.38

1

100.39

124.8

50

119.40

147.79

100

138.51

170.64

150

157.33

192.93

200

175.86

214.68

250

194.10

235.90

300

212.05

256.59

350

229.72

276.79

400

247.09

296.48

450

264.18

315.69

500

280.98

334.42



单片机的 10 位 A/D 在满度量程下,最大显示为 1023 字,为了得到 PT100 传感器输出电压在显示 500 字时的单片机 A/D 转换输入电压,必须对传感器的原始输出电压进行放大,计算公式为:(500/1023 * Vcc)/传感器两端电压( mV/℃ ) ,(Vcc=系统供电=5V),可以得到放大倍数为 10.466 。

关于放大倍数的说明:有热心的用户朋友询问,按照 (500/1023 * Vcc)/传感器两端电压不能得到 10.466 的结果,而是得到 11.635的结果。实际上,500 个字的理想值是无法靠电路本身自然得到的,自然得到的数字仅仅为 450 个字,因此,公式中的 500℃ 在实际计算时的取值是 450 而不是 500 。450/1023*5/(0.33442-0.12438)≈10.47 。其实,计算的方法有多种,关键是要按照传感器的 mV/℃ 为依据而不是以被测温度值为依据,我们看看加上非线性校正系数:10.47*1.1117=11.639499 ,这样,热心朋友的计算结果就吻合了。

运算放大器分为两级,后级固定放大 5 倍(原理图中 12K/3K+1=5),前级放大为:10.465922/5=2.0931844 倍,为了防止调整时的元器件及其他偏差,使用了一只精密微调电位器对放大倍数进行细调,可以保证比较准确地调整到所需要的放大倍数(原理图中 10K/(8K2+Rw)+1)。

通常,在温度测量电路里,都会有一个“调零”和另一个“调满度”电位器,以方便调整传感器在“零度”及“满度”时的正确显示问题。本电路没有采用两只电位器是因为只要“零度”调整准确了,就可以保证整个工作范围的正确显示,当然也包括满度时的最大显示问题了。

那么,电路中对“零度”是如何处理的呢?它是由单片机程序中把这个“零度”数字直接减掉就是了,在整个工作范围内,程序都会自动减掉“零度”值之后再作为有效数值来使用。

当供电电压发生偏差后,是否会引起传感器输入的变化进而影响准确度呢?供电变化后,必然引起流过传感器的电流发生变化,也就会使传感器输出电压发生变化。可是,以此同时,单片机的供电也是在同步地接受到这种供电变化的,当单片机的 A/D 基准使用供电电压时,就意味着测量基准也在同步同方向发生变化,因此,只要参数选择得当,系统供电的变化在 20% 之内时,就不会影响测量的准确度。(通常单片机系统并不允许供电有过大的变化,这不仅仅是在温度测量电路中的要求。)

后级单片机电路的原理图如下:

从传感器前置放大电路输出的信号,就送入到 HT46R23 的 A/D 转换输入端口(PB0/AN0),由单片机去进行各种必需的处理。首先是进行软件非线性校正,把输入信号按照不同的温度值划分为不同段,再根据其所在的段分别乘以不同的补偿系数,令其与理论值尽量接近,经过非线性校正的数字,才被送去进行显示,比较用户设定的控制值等等。

各段的非线性补偿系数见下列表格(仅仅列出主要段的数据,非全部表格内容):

 传感电压

传感电压

mV/℃

内部AD读数

校正系数

124.3781

供电电阻=3K92±1%,供电电压=5.000V±1%

124.8450

0.4670

1.00

1.0000

147.7942

0.4683

50.14

0.9972

170.6414

0.4626

99.06

1.0095

192.9326

0.4570

146.80

1.0218

214.6802

0.4515

193.36

1.0343

235.8961

0.4461

238.79

1.0469

256.5918

0.4407

283.11

1.0597

276.7898

0.4355

326.36

1.0724

296.4779

0.4302

368.52

1.0854

315.6891

0.4251

409.65

1.0985

334.4220

0.4201

449.76

1.1117

 

本电路还有一个特点,就是用户可以在工作范围内,任意设定 3 个超限控制值。当测量显示值大于设定值的时候,对应的控制端口就会输出高电平。利用这个高电平信号,再外接一级三极管驱动继电器的电路,就可以实现自动控制。在某一个控制端口输出高电平的同时,与之串联的 LED 发光管会同时点亮,以便提示使用者是哪一个设定值在输出控制信号。

电路中的 24C02 是电存储器,可以把使用者设定的控制值可靠地保存起来,即使掉电也不会丢失数据。

电路图中还有 3 只按键,它们分别是“设定”、“加置数”和“减置数”操作按键,用于使用者进行超限值的设置。使用方法如下:

按动一下设定键,屏幕显示“1--”,表示现在进入第一个超限值的设置,三秒后屏幕自动跳转到显示“***”并闪烁(*** 代表原来电存储器里储存的超限数值),然后,按压加数键(或减数键),屏幕上的最低位的数字就会加一(或减一),如果按住按键三秒以上不放开,屏幕上的前两位数字就会快速进行加数(或减数)。把屏幕上的数字调整到所需要的数字后,这个超限值就设置完成了。

接着,再按动一下设定键屏幕显示“2--”,表示现在进入第二个超限值的设置,三秒后屏幕自动跳转到显示“***”并闪烁....,接下来的操作与第一个超限值的操作完全一样。

第三个超限值的设置与上面两个完全一样。

当设置好 3 个超限值之后,还必须最后按动一下设定键,退出设定状态而返回正常工作状态。如果忘记了这最后一次按动退出的操作,程序就会等待 10 秒之后,自动返回正常工作状态。

简易调试方法:

可以使用 100Ω 的电阻来模拟 PT100 在 0℃ 的阻值,接入传感器输入端,看看显示是否 =000,如果不对,可以调整微调电位器来达到;然后用一只 281Ω 的电阻来模拟 PT100 在 500℃ 时传感器的电阻值,显示应该在 500 字±1字;最后,使用一只 194Ω 的电阻来代替 250℃ 传感器电阻输入,应该显示 250±1 字.如果经过上面调试没有问题,就可以接入真正的 PT100 传感器投入使用了.(真正的传感器也有误差,可以微调一下前置放大的电位器来校正它。)

在实际工作中,要求电路的供电电压为 5V±5%.如果测量显示值大于某一个超限值,对应的控制端口就会立即输出高电平。

如果传感器发生开路故障,显示就会出现"HHH",如果传感器及其引线发生了短路,显示就会立即出现"LLL".为了防止传感器出现开路或者短路之后可能会引起的不良后果,这时候,3 个控制输出端口都会优先关闭。

双工器是什么意思?双工器的工作原理及作用

有个客户公司的采购需要向我公司采购双工器,但是采购本身也不知道什么是双工器,品慧工程师就为客户朋友们简单介绍一下双工器及其工作原理与作用。

双工器

一、什么是双工器?

双工器,又称天线共用器,是一个比较特殊的双向三端滤波器。双工器主要应用在异频双工电台与中继台中,其作用是将发射和接收讯号相隔离,保证接收和发射都能同时正常工作。双工器是由两组不同频率的阻带滤波器组成,避免本机发射信号传输到接收机。

二、双工器的作用

双工器是双工电台收发信号同时出入的必经途径,它既能将微弱的接受信号藕合进来,又能将较大的发射功率馈送到天线上去,且两者各自完成其功能而不相互影响。在双工电台中起到收发共用天线的作用。

三、双工器的主要性能指标

1、工作频率 双工器的工作频率范围应当不窄于电台本身的工作频率范围。

2、工作带宽 是指电台配上双工器后接收机的输入带宽和发射机的输出带宽。

3、收发间隔 根据我国及国际上各国无线电频率管理部门的规定,用作双频双工组网的双工电台,VHF的收发频差为5.7MHz、UHF为10MHz。

4、特性阻抗 无线对讲机的天线输入阻抗和发射机的输出阻抗均为50Ω,因而要求双工器的阻抗也应为50Ω。

5、功率容量最大输入功率是一个双工器所能承受的最大的输入功率,是双工器的一个使用安全性指标,无线对讲双工电台双工器的功率容量一般为50W。

6、电压驻波比 为保证整机的安全性和通信效果,通常双工器的驻波比在1.5以下。

7、隔离度

双工器的隔离度是指两个等效带阻滤波器的阻带衰减量,除一些特定的场合外,一般双工器的接收通道和发射通道中的阻带的衰减量,也即双工器的接收端和发射端至天线端的隔离度相当的。这一点使得双工器的生产厂家在生产管理上较为方便。因为我们所说的接收端和发射端,无非是工作频率高和低的区别,如双工器的工作频率不合适,甚至是在10MHz的另一端,则只需调整和改接一下即可,而不会影响使用效果。