专利名称：一种用于电磁生物效应的线性可调高压直流电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高压电源，尤其是一种用于电磁生物效应的线性可调高压直流电源。
背景技术：
动植物电磁生物效应是直接促进农业增产和改进产品品质的重要技术手段之一， 其研究需要大范围、高精度直流电场，但目前使用的普通直流高压电源存在输出电场控制 精度低、范围小、成本高等技术问题。比如，所使用的数控电源虽然操作方便，但是由其自身 数控特点所决定其输出高电压为阶梯状连续可调，而不是线性连续可调。 一个15kV的数控 电源，最小调节精度为60V，在要求高精度电压输出的电磁生物效应中，其无法满足需求。张 春林、严萍等二人的文章"基于DSP的数字化高压直流电流的研究"(《高电压技术》2008年 10月第34巻、第IO期)，给出了一种获取高压直流电压的方法，其所采用的设备由低压部 分、高压部分以及将二部分连接的高频变压器组成，高频变压器输出端连接倍压电路，通过 该设备可得到较好的高压直流电压。但是，该文中变压部分采用的为高频高压变压器，绝缘 等级及安全性要求较高；该文中高压部分的电压等级较高，故使用的硅堆和高压电容，成本 较高，维护也不太方便；该文中低压部分采用的是常规开关电源技术，开关电源会产生大量 谐波，会对电网造成影响。
发明内容
本发明的目的，在于克服现有的高压直流电源输出精度不高、最小调节精度数值 过大的不足，提供一种安全性高、成本较低、维护方便、且不会产生对电网造成影响的谐波 的高压电源，该高压电源不仅可以线性地连续调节输出电压，而且能通过数字显示方式方 便地读取当前输出电压的数值大小。 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是本线性可调高压直流电源由低压部 分、高压部分及连接两部分的高频变压器组成，高频变压器输出端连接高压部分的倍压电 路，其中，所述低压部分包括-高频功率模块，用于进行电平转换与信号调制，其输出为高频方波功率信号提供 给高频变压器，本模块以功率运算放大器为核心，构成电压跟随器与功率输出系统；本模块 包括-时钟源电路l，用于提供通过功率变换所需的高频功率信号，从而提供给高频变 压器进行高频升压；-电压调节电路8，其输入端与时钟源电路1的输出端连接，用于调节整个高压直 流电源的电压输出，且将输出电压限幅，防止输出给放大电路的电压过高，致使高压端输出 超过额定电压；-缓冲器电路2，其输入端与电压调节电路8的输出端连接，用于提高系统输入阻 抗，提高系统稳定性；
-放大电路3，其输入端与缓冲器电路2的输出端连接，用于将输出电压进行放 大；-高频功率输出电路4，其输入端与放大电路3的输出端连接，其核心部件为功率 运算放大器，用于向高频变压器15提供输出的线性电压；-显示接口电路5，与高频功率输出电路4连接，在其端口设置有显示电路接口 7， 用于显示模块的连接；-显示模块，与高频功率模块的显示电路接口 7连接，用于显示输出电压；-大功率直流电源，与高频功率模块连接，用于为高频功率模块提供所需变换为高
频功率信号的电能； 所述高压部分18除包括倍压电路16外，还包括高压输出电路17，其输入端与倍压 电路16的输出端连接，用于为电磁生物效应实验提供稳定、连续、精确的高压静电场，且设 有保护电阻，防止短路时电流过大，防止器件损坏； 所述连接低压部分和高压部分的高频变压器15为高频低压变压器，其输入端与 高频功率模块的高频功率输出电路4的输出端连接，用于连接低压与高压部分，并对低压 部分构成电磁隔离保护，防止高压干扰窜入低压部分对低压器件构成永久性损伤；
本线性可调高压直流电源的工作过程是大功率直流电源提供各个部分所需电 能。时钟源电路为系统提供高频信号输送给电压调节电路，电压调节电路调节高频信号的 电压幅值，使整个功率模块输出的电压实现连续变化，得到线性电压，再输送给缓冲器电 路，缓冲器电路连接放大电路放大电压值，将放大后的信号传送给高频功率输出电路，使其 信号变为高频功率信号，在高频功率输出端口处设计了显示电路接口供显示电路连接，输 出电压可在显示模块中观察。高频输出端口连接高频低压变压器，高频低压变压器将低压 高频功率信号变换为高压高频功率信号，将此信号送给倍压电路，使电压得到进一步提升 达到预定值，最后通过高压输出电路输出给负载。由于高压直流电源需要为电磁生物效应 实验提供稳定、精确的高压静电场，其携带负载较小，其工作时电压降AU和纹波系数Su 根据公式(1) 、 (2)计算: <formula>formula see original document page 4</formula>
<formula>formula see original document page 4</formula> 式中，i为负载电流；f为工作频率；C为倍压电容值；N为倍压级数。为了防止操 作失误使高压电源短路或发生闪络时将有非常大的瞬时电流通过，对功率运放与高压部分 产生损伤，所以增加保护电阻R来进行保护。 本发明的有益效果是，由于采用了电压调节电路，使整个功率模块输出的电压实 现连续变化，该输出电压线性连续可调，其线性度与稳定性都优于常规高压直流电源，电能
转换效率在80%以上。由于低压部分与高压部分之间采用高频低压变压器，绝缘等级要求
相对较低，安全性更好。由于所使用的是常规器件，而非硅堆和高压电容，故电压等级较低， 方便维护，并且节约成本，在发生故障时也容易更换，且不会产生对电网造成影响的谐波。 输出电压可通过显示模块中观察。
图1是本发明的系统结构框图； 图2是高频功率模块结构框图； 图3是实施例中高频功率模块电路图； 图4是实施例中显示电路图； 图5是实施例中正负电源电路图； 图6是实施例中倍压电路及高压输出电路图。 图中各标记为1、时钟源电路，2、缓冲器，3、放大电路，4、高频功率输出电路，5、 显示接口电路，6、功率输出电路端口 ， 7、显示电路接口 ， 8、电压调节电路，9、电压输入端口 ， 10、显示电路，11、数码管，12、7447显示译码芯片，13、正负电源电路，14、高频功率信号，15、 高频低压变压器，16、倍压电路，17、高压输出电路，18、高压部分。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但实施例不是对本发明的限定。
实施例，以一种用于电磁生物效应实验室的20kV线性可调高压直流电源为例
在图1中，本线性可调高压直流电源分为低压部分、高压部分及连接部分。低压部 分由高频功率模块、显示模块和大功率直流电源组成；高压部分由倍压电路与高压输出电 路组成；两部分用高频低压变压器连接使其对低压部分构成电磁隔离保护，防止高压干扰 窜入低压部分对低压器件构成永久性损伤。 电源部分负责为功率模块和整个系统提供电能，由于使用了大功率运算放大器， 设计最高输出功率为300W，峰值电流可达IOA，所以对电源的要求较高。本设计采用大功率 开关电源，输出电压为士40V、输出功率500W直接为功率运放供电，其它芯片功耗都较小， 可采用常规稳压芯片将40V电压变换为所需电压。 在图2中与图3中，高频功率模块负责进行电平转换与信号调制，其输出为高频功 率信号14，该信号为方波，提供给高频低压变压器15。其中，时钟源1采用LM311电压比较 器构成30kHz时钟源，通过功率变换得到高频功率信号14，从而提供给高频低压变压器15 进行高频升压；缓冲器电路2和放大电路3由0P07通用高精度运算放大器组成，并且在缓 冲器电路2前向通道中设计了输出电压调节电路8，通过调节100kQ滑动变阻器，来调节整 个高压直流电源的电压输出；通过调节前向通道上的电压调节电路8，使整个功率模块输 出的电压实现连续变化，从而达到了无级调压的目的。电压调节电路8将调节后的方波信 号传送给缓冲器电路2 ;缓冲器电路2提高了放大电路3整体的输入阻抗，还增强了系统的 抗干扰能力。功率输出电路4采用0PA541功率运算放大器构成，其核心部件为0PA541功率 运算放大器，该功率运算放大器工作电压为士40V，正负电压差不超过80V，最大输出电流 为IOA，为了保证器件安全工作，需要在其输出端设置短路保护电阻R，将电信号反馈给功 率运算放大器的l引脚。放大电路3中的放大倍数为11倍不可调。功率输出电路4设计 为电压跟随器，确保系统达到最小输出阻抗，设计为最高输出电压36V。在功率输出电路4 端口 6设计了显示接口电路5，其接口为7，交流信号经过整流后输出直流电压，通过电容进 行整形，再通过一个小负载对电容进行实时放电，保证电容电压随输出电压同步变化，调节 10k Q滑动变阻器，使输出端口电压与高压输出端成线性关系，再通过连接显示接口电路5进行电压显示。供电压输入端口9连接。低压部分所有电路均为共地。
在图4中，系统实现0V-20000V范围数字显示，显示精度为IV，采用ICL7135四位 半数码管显示芯片构成显示电路10 ;该芯片内嵌14位AD转换器，需要外部提供运行时钟， 时钟频率为120kHz。显示芯片将需要显示的数字传送给7447显示译码芯片12,7447显示 译码芯片12采用共阳极驱动数码管ll，利用灌电流控制数字显示，确保了显示系统的稳定 工作。电压输入端直接连接高频功率模块的显示接口。 图5为正负电源电路，在图4中，显示芯片需要正负两种电源供电，故使用ICL7660 芯片通过正电源与电容组合构成正负电源电路13，可输出-5V电源为显示电路10供电。
在图6中，低压部分与高压部分18通过高频低压变压器15连接，低压部分产生 的高频功率信号14传送给高频变压器15，高频低压变压器15功率为500W、工作频率为 30kHz、转换效率为90%，初级对次级耐压为2500VAC/1MIN、初级电感量315uH、漏感量最大 3uH。当输入36V高频功率方波给高频变压器时，其输出电压为720V。高频低压变压器15 输出电压值最大为720V，再通过倍压电路16将电压提升到所需等级，因此倍压电路16器件 的耐压值不需要很高，不必采用硅堆、高压电容等超高压器件，不但节约了成本而且系统绝 缘等级在保证安全的情况下也可以相应降低。高压输出17设置了保护电阻R防止操作失 误使高压电源短路或发生闪络时将产生非常大的瞬时电流通过，使功率运放与高压部分产 生损伤。倍压电路与高压输出电路采用IN4007 二级管耐压值为1200V、高压电容耐压值为 1400V组成。
权利要求
一种用于电磁生物效应的线性可调高压直流电源，由低压部分、高压部分及连接两部分的高频变压器组成，高频变压器输出端连接高压部分的倍压电路，其特征在于所述低压部分包括-高频功率模块，用于进行电平转换与信号调制，其输出为高频方波功率信号提供给高频变压器，本模块以功率运算放大器为核心，构成电压跟随器与功率输出系统；本模块包括-时钟源电路(1)，用于提供通过功率变换所需的高频功率信号，从而提供给高频变压器进行高频升压；-电压调节电路(8)，其输入端与时钟源电路(1)的输出端连接，用于调节整个高压直流电源的电压输出，且将输出电压限幅，防止输出给放大电路的电压过高，致使高压端输出超过额定电压；-缓冲器电路(2)，其输入端与电压调节电路(8)的输出端连接，用于提高系统输入阻抗，提高系统稳定性；-放大电路(3)，其输入端与缓冲器电路(2)的输出端连接，用于将输出电压进行放大；-高频功率输出电路(4)，其输入端与放大电路(3)的输出端连接，其核心部件为功率运算放大器，用于向高频变压器(15)提供输出的线性电压；-显示接口电路(5)，与高频功率输出电路(4)连接，在其端口设置有显示电路接口(7)，用于显示模块的连接；-显示模块，与高频功率模块的显示电路接口(7)连接，用于显示输出电压；-大功率直流电源，与高频功率模块连接，用于为高频功率模块提供所需变换为高频功率信号的电能；所述高压部分(18)除倍压电路(16)外，还包括高压输出电路(17)，其输入端与倍压电路(16)的输出端连接，用于为电磁生物效应实验提供稳定、连续、精确的高压静电场，且设有保护电阻，防止短路时电流过大，防止器件损坏；所述连接低压部分和高压部分的高频变压器(15)为高频低压变压器，其输入端与高频功率模块的高频功率输出电路(4)的输出端连接，用于连接低压与高压部分，并对低压部分构成电磁隔离保护，防止高压干扰窜入低压部分对低压器件构成永久性损伤。
全文摘要
本发明提供了一种用于电磁生物效应的线性可调高压直流电源，由低压、高压两部分及连接两部分的高频低压变压器组成，低压部分包括由依次连接的时钟源电路、电压调节电路、缓冲器电路、放大电路、高频功率输出电路组成的高频功率模块、显示模块和大功率直流电源；高压部分包括倍压电路和与之连接的高压输出电路，高频低压变压器的初、次级分别与高频功率输出电路的输出端和倍压电路的输入端连接。本直流电源输出的电压线性连续可调，其线性度与稳定性都优于常规高压直流电源，因采用高频低压变压器和使用常规器件，绝缘等级要求用电压等级较低，安全性更好。方便维护，节约成本，在发生故障时易更换，且不会产生对电网造成影响的谐波。
文档编号H02M3/24GK101697451SQ200910095080
公开日2010年4月21日 申请日期2009年10月23日 优先权日2009年10月23日
发明者姜涛, 张云伟 申请人:昆明理工大学;