طراحی و اشکال زدایی منبع تغذیه با دقت بالا برای آزمایشگرهای سیگنال با استفاده از MAX038 و تقویت کننده BTL

1 طراحی سخت‌افزار منبع تغذیه آزمایشگر

این دستگاه از یک دستگاه معمولی تولید سیگنال کوچک استفاده می‌کند تا سیگنال‌های جریان کم با فرکانس و زاویه فاز لازم را تولید کند. سپس، از طریق مدار تقویت و مدار تعدیل فاز، منبع تغذیه کاری تولید می‌شود.

1.1 دستگاه تولید سیگنال جریان کم موج سینوسی فرکانس شبکه

مدار تولید موج سینوسی عمدتاً از تراشه شکل‌دهی موج MAX038 تولید شده توسط شرکت MAXIM آمریکا تشکیل شده است. بر اساس نیازهای آزمون، این مدار به 3 تراشه نیاز دارد و می‌تواند حداقل 3 کانال سیگنال سینوسی تولید کند. MAX038 یک تولیدکننده تابع دقیق با فرکانس بالا است. با ساخت یک مدار محیطی ساده (به شکل 1) و کنترل پین‌های A₀ و A₁ (به جدول 1)، می‌توان موج‌های سینوسی، مستطیلی و مثلثی تولید کرد.

تنظیم فرکانس: وقتی پین FADJ در سطح صفر قرار دارد، فرکانس خروجی می‌تواند با استفاده از فرمول Fₐ = I_IN / C_f (که در آن I_IN= V_ref/ R_in; Fₐ فرکانس خروجی است، به مگاهرتز؛ C_f ظرفیت مدار خارجی اسیلاتور است، به پیکوفاراد؛ I_IN جریان خروجی پین I_N است، به میکروآمپر؛ V_ref ولتاژ خروجی پین REF است؛ R_in مقاومت ورودی پین IN است) محاسبه شود.

تنظیم ضریب دیوتی: تغییر ولتاژ پین DADJ موجب تغییر نسبت شارژ و دیشارژ خازن C_f می‌شود. وقتی پین DADJ در سطح صفر قرار دارد، ضریب دیوتی ۵۰٪ است. وقتی ولتاژ پین DADJ در محدوده -2.3 تا 2.3 V تغییر می‌کند، ضریب دیوتی در محدوده ۸۵٪ تا ۱۵٪ تغییر می‌کند. تنظیم ضریب دیوتی می‌تواند با استفاده از فرمول V_dadj =₋50%- DC×0.0575 (که در آن V_dadj ولتاژ روی پین DADJ است) محاسبه شود.

1.2 realizsierung von einphasigen, dreiphasigen und zweiphasigen orthogonalen Ausgaben kleiner Stromsignale

детектор фазы внутри MAX038 может использоваться для построения фазовой автоподстройки частоты. Когда на входы PDI трех MAX038 подаются трехфазные прямоугольные сигналы, три синусоидальных сигнала, которые они выдают, будут трехфазными переменными токами. Для одиночного выхода сигнала можно отключить два генератора синусоидальных сигналов, и только третий генератор синусоидальных сигналов будет работать.

Нет необходимости вводить сигналы корректировки фазы на PDI. Принцип двухфазного ортогонального выхода сигнала совпадает с принципом трехфазного выхода. Сначала отключите один генератор синусоидального сигнала, а затем подайте два ортогональных прямоугольных сигнала на входы PDI оставшихся двух генераторов синусоидальных сигналов соответственно. Два синусоидальных сигнала, которые они выдают, будут двумя ортогональными переменными токами. Этот прямоугольный внешний синхронизирующий сигнал реализуется с помощью программируемого ПЛК. Разделите трехфазный сетевой прямоугольный сигнал на 6 состояний (см. рис. 2).

Очевидно, разница во времени между каждым состоянием составляет 3,3 мс (с периодом 20 мс при 50 Гц). Как только 6 выходных состояний продолжаются по 3,3 мс и циклически повторяются в положительной последовательности, можно выдавать трехфазный сетевой прямоугольный сигнал. Аналогично обрабатывается двухфазный ортогональный сигнал и делится на 4 состояния (S₇, S₈, S₉, S₁₀). Разница во времени между каждым состоянием составляет 5 мс. Как только 4 выходных состояния продолжаются по 5 мс и циклически повторяются в положительной последовательности, можно выдавать двухфазный ортогональный сетевой прямоугольный сигнал.

Сигналы управления фазовой синхронизации MAX038 выводят сигналы Q₂, Q₀, Q₁ из пинов 16#, 14# и 13# программируемой микросхемы P16R6 (см. данные P16R6) на внешние синхронизирующие входы PDI трех MAX038. На выходе пина 13# установлен вентиль И, управляемый сигналом Q₃. Программированием обеспечивается, чтобы Q₀, Q₁, Q₂, Q₃ соответствовали определенным условиям (таблица 2), что позволяет генерировать трехфазные и двухфазные ортогональные прямоугольные внешние синхронизирующие сигналы.

1.3 اصل پیاده‌سازی تقویت توان

مدار تقویت یک‌فازی به صورت ساختار بار متصل به پل (BTL) طراحی شده است. دو انتهای بار به ترتیب به ترمینال‌های خروجی دو تقویت‌کننده متصل هستند. خروجی یک تقویت‌کننده خروجی آینه‌ای دیگری است. یعنی، سیگنال‌های بارگذاری شده در دو انتهای بار فقط یک اختلاف فاز ۱۸۰ درجه دارند. ولتاژ بدست آمده روی بار دوبرابر ولتاژ خروجی تک‌طرفه اصلی است (به شکل ۳)، که نیاز به خروجی یک‌فازی حداقل ۱۰۰ وات را برآورده می‌کند.

2 رفع عیب سخت‌افزار منبع تغذیه آزمایشگر
2.1 تنظیم تحریف موج خروجی

تنظیم ضریب دیوتی: ولتاژ کنترلی در محدوده -2.3V تا +2.3V به ترمینال DADJ MAX038 اعمال می‌شود تا زمان شارژ و دیشارژ خازن C_f تنظیم شود. خروجی موج مثلثی توسط اسیلاتور در محدوده ۱۰٪-۹۰٪ تنظیم شده و در نهایت موج‌های سینوسی تحریف‌شده، موج‌های شیب‌دار و موج‌های پالسی تولید می‌شوند. از آنجا که جریان ثابت ۲۵۰ میکروآمپر به ترمینال DADJ می‌رود، مقاومت R_d بین این ترمینال و پین منبع تغذیه مرجع REF متصل می‌شود. بنابراین: V_dadj = V_ref - 0.25R_d; تنظیم مقدار R_d می‌تواند ضریب دیوتی موج‌های مثلثی و شیب‌دار را تنظیم کند بدون تأثیر بر پالس‌های خروجی همزمان، و R_d نباید بیش از ۲۰ کیلومقاومت باشد.

2.2 تنظیم فرکانس موج خروجی

فرکانس خروجی MAX038 توسط خازن اسیلاتور C_f، جریان IIN و ولتاژ FADJ کنترل می‌شود. با C_f ثابت، تنظیم دقیق فرکانس با کنترل پین IIN انجام می‌شود. برای کنترل دیجیتال، DAC به IIN و FADJ متصل می‌شود. این‌ها ولتاژهای کوچک تولید می‌کنند که به جریان ۰-۷۴۸ میکروآمپر (به اضافه ۲ میکروآمپر از شبکه) تبدیل می‌شوند که در IIN ۲-۷۵۰ میکروآمپر ایجاد می‌کند و محدوده فرکانس خروجی را ایجاد می‌کند. DAC این محدوده را به ۲۵۶ مرحله تقسیم می‌کند که تنظیم کلی از طریق جریان IIN و تنظیم دقیق از طریق DAC امکان‌پذیر می‌شود.

2.3 تنظیم ولتاژ خروجی مدار تقویت توان

سه مدار ترانسفورماتور تقویت یک‌فاز به عنوان یک ترانسفورماتور سه‌فاز عمل می‌کنند تا سیگنال‌ها به طور همزمان تقویت شوند (برای جلوگیری از تأثیر قابل توجه استفاده مستقیم از ترانسفورماتور سه‌فاز بر سیگنال‌های کوچک). تنظیم ولتاژ بین ۲۰۰ V و ۸۰ V با تنظیم ترانسفورماتورها انجام می‌شود.

2.4 تنظیم ولتاژ مدار کاری DC

مدار تبدیل و ثبات ولتاژ DC ولتاژ DC پایدار را از تأمین ۲۲۰ V AC محلی فراهم می‌کند. با استفاده از ماژول‌های تغذیه DC ۷۸۰۵ و ۷۹۰۵، ولتاژهای +۳۵ V و +۵ V (با توجه به نیازهای دقت ترانسفورماتور) خروجی می‌دهد.

3 نتیجه‌گیری

• منبع تغذیه طراحی شده با ویژگی‌های واضح، اقتصادی و دقت خروجی بالا، کاملاً نیازهای دستگاه‌های آزمون را برآورده می‌کند.

• طراحی مدولار پیچیدگی را کاهش می‌دهد و مدارهای متصل به هم اما مستقل را فراهم می‌کند. تقسیم‌بندی وظایف مشخص (تولید موج سینوسی، کنترل فاز، تقویت توان، تغذیه DC) امکان به‌روزرسانی مداوم برای برآورده کردن نیازهای کاربران را فراهم می‌کند.

• سیگنال‌های کنترل Q₀-Q₃ سازگاری با MCU و کنترل دیجیتال را فراهم می‌کنند. با طراحی مدولار، دستگاه می‌تواند سیگنال‌های سینوسی سه‌فاز، دو‌فاز متعامد و تک‌فرکانسی، همراه با موج‌های مستطیلی و مثلثی با الزامات مختلف فاز را تولید کند که نیازهای متنوع را برآورده می‌کند.