儀器儀表電源應用

出處：網(wǎng)絡整理發(fā)布于：2024-01-12 16:32:10

　　電源測試儀器不再只是直流輸出設備。與它們使用的產(chǎn)品一樣，電源已經(jīng)發(fā)展到可以與 PC 連接、模擬電池和太陽能電池等電源，并執(zhí)行測試序列。單個儀器的功率范圍從低至 30 W 到高達 60 kW，電壓高達 2000 V，電流輸出高達 1000 A。電源是復雜的儀器。
　　直流電源概述
　　圖 1 顯示了直流電源的基本電路框圖。變壓器將交流線路與電路的其余部分電隔離。變壓器還根據(jù)電源所需的直流輸出電壓來降低或升高交流線路的電壓。整流電路塊將來自變壓器的交流電壓轉換為單極交流電壓。接下來，濾波器塊將單極交流電轉換為具有紋波效應的不完美直流電壓。調節(jié)器將輸出電壓調節(jié)至所需水平，并添加進一步的濾波，以便輸出恒定的直流電壓。
　

　　與理想輸出的偏差
　　直流電源輸出并不總是提供用戶編程的輸出。根據(jù)組件容差，制造商將定義直流輸出的精度。制造商還可以指定溫度系數(shù)以增加輸出容差。直流輸出低于編程值的另一個原因是，在高電流負載下，電源中各個組件的內部電阻會降低更多的電壓。制造商將這種效應指定為負載調節(jié)，即滿量程電壓的百分比誤差。為了完全確定直流電源的輸出精度，請將負載調節(jié)誤差添加到輸出精度中。
　　直流電源的輸出也會產(chǎn)生噪聲。所有與電子運動和原子碰撞相關的電子元件都存在固有的噪聲。交流線路、EMI 和接地線上的雜散電流等條件也會在電源輸出中產(chǎn)生噪聲。無論設計多好，直流電源的輸出都會產(chǎn)生噪聲。
　　電源拓撲
　　有兩種類型的電源拓撲：線性和開關模式設計。線性設計使功率在電路中連續(xù)流動。他們的設計具有低噪聲和低復雜性的優(yōu)點，但效率不是很高。線性電源的效率低于 60%。開關模式電源的效率可達 90%，但復雜性更高，輸出噪聲也更高。較高的噪聲是由晶體管造成的，晶體管用作以 kHz 速率循環(huán)打開和關閉電源的開關。與同等供電的線性電源相比，開關模式電源受益于使用更小、更輕的變壓器。雖然這兩種拓撲都適合低瓦數(shù)電源，但開關模式電源幾乎總是用于設計功率級別高于 500 W 的電源。
　　直流電源的版本

　　大多數(shù)電源都是在象限（正 V 和 I）運行的單極儀器。雙極輸出電源在象限 I 和象限 IV 中運行。輸出電壓可以是正的，也可以是負的，而電流始終是正的。第三種類型的電源可以在象限 I 和象限 II 中運行。這種類型的電源稱為雙向電源。在象限 I 中，電源是直流電壓源。在象限 II 中，電源吸收電流并作為電子負載運行。因此，雙向電源結合了兩種儀器（直流電源和直流電子負載）的性能。參見圖 2。

　　圖 2. 三種類型的直流電源。圖片由博多電力系統(tǒng)提供
　　控制直流輸出

　　除了對輸出進行濾波以提供無紋波直流輸出外，穩(wěn)壓器還將輸出電壓維持在編程水平。我們可以將調節(jié)器電路建模為反饋放大器，如圖 3 所示。輸出電壓檢測電路監(jiān)視輸出電壓并將其反饋至誤差/功率放大器。誤差/功率放大器根據(jù)放大器輸入端電壓差的極性來提高或降低其輸出。

　　圖 3a。輸出調節(jié)階段。圖片由博多電力系統(tǒng)提供
　　圖 3b：具有本地和遠程傳感的輸出調節(jié)級。圖片由博多電力系統(tǒng)提供
　　圖 3. 顯示電壓控制的電源輸出級（未顯示輸出濾波）

　　當負載消耗少量電流時，監(jiān)控直流電源輸出端子的電壓就足夠了。在小負載電流下，引線上的電壓降可以忽略不計。然而，對于大負載電流，引線上的電壓降可能很大，并且施加到負載的電壓低于編程的輸出電壓：

　V L o a d = V S up p ly ? 2 ? V L e a d ? _ _

　　如果電源采用 4 線連接設計，其中兩根線向負載供電，兩根線檢測負載電壓，則電源會針對負載處的較低電壓進行校正。圖 3b 顯示了負載的 4 線連接。

　　輸出電壓采樣電路具有高輸入阻抗；因此，它消耗的電流可以忽略不計。由于檢測線上的壓降可以忽略不計，電壓檢測電路可測量負載處的實際電壓，并將該電壓反饋至電源的誤差/功率放大器。放大器將其輸出電壓提高\(2\cdot V_{Lead}\)，以補償源極引線中的壓降。此功能稱為遠程感測，可確保負載的輸出為所需電壓。使用 4 線連接可確保負載電壓更準確。2 ? V導程_ _　　

輸出特性選項

　　電源可以使用不同的方法向負載供電。典型的電源具有矩形的輸出 IV 特性。電源的輸出可以是矩形內的任意一組電壓和電流值。圖 4 中的藍色粗線說明了具有矩形 IV 輸出特性的直流電源。第二種傳送方法稱為自動量程。具有自動調整 IV 輸出特性的直流電源具有矩形輸出和雙曲線輸出的組合。與具有矩形輸出的同類電源相比，自動調整范圍特性可以提供更寬范圍的負載電流，有時甚至可以提供更寬的電壓范圍。圖 4 中顯示的黑色和紅色曲線是自動量程輸出特性的示例。