數控用開(kāi)關(guān)電源保護電路的實(shí)現
開(kāi)關(guān)電源的可靠性直接影響到電子產(chǎn)品系統的可靠性。文中從相關(guān)數控系統開(kāi)關(guān)電源的各種保護電路著(zhù)手，分析設計了數控開(kāi)關(guān)電源的軟啟動(dòng)電路， 過(guò)壓保護、過(guò)流保護、欠壓保護等電路的工作原理和具體設計方法， 解決了數控開(kāi)關(guān)電源的工作可靠性問(wèn)題， 為數控系統的批量生產(chǎn)提供了保障。精密機床數控系統使得加工零件的精度有了穩定的保證， 在目前機械加工中得到越來(lái)越廣泛的應用。
引言
開(kāi)關(guān)電源電路負責為整個(gè)機床數控系統各部分設備提供電源。本文主要介紹了一種機床數控系統用開(kāi)關(guān)電源各種保護電路的工作原理和實(shí)現方法， 通過(guò)實(shí)際研制， 使得該系統開(kāi)關(guān)電源穩定性大大提高， 保護功能穩定可靠， 滿(mǎn)足了批量生產(chǎn)要求。
1 保護電路工作原理分析
機床數控用開(kāi)關(guān)電源包含有軟啟動(dòng)保護、過(guò)壓保護、過(guò)流保護、欠壓掉電保護等電路。
( 1) 軟啟動(dòng)電路
由于開(kāi)關(guān)電源輸入整流電路后級大多采用電容性濾波電路濾波， 在電源合閘瞬間， 往往會(huì )產(chǎn)生電流幅值高達幾十甚至幾百安培的浪涌電流， 此種浪涌電流十分有害， 會(huì )造成開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)故障甚至損壞。常用的軟啟動(dòng)電路有可控硅和限流電阻組成的防浪涌軟啟動(dòng)保護、繼電器觸點(diǎn)組成的軟啟動(dòng)保護、負溫度系數電阻組成的軟啟動(dòng)保護電路等。
本系統開(kāi)關(guān)電源采用負溫度系數電阻組成的軟啟動(dòng)保護電路， 簡(jiǎn)單實(shí)用， 工作可靠。如圖1, 220 V 交流電經(jīng)線(xiàn)圈L1濾波共模干擾后， 整流產(chǎn)生約三百伏左右直流電壓， RT 電阻為負溫度系數熱敏電阻， 型號為M02-7Ω。當電源合閘瞬間， 浪涌電流使得熱敏電阻發(fā)熱， 阻值迅速減小， 輸出直流電壓逐漸建立， 可有效防止浪涌電流對電源電路的沖擊， 使得整個(gè)電源半橋變換電路穩定可靠。
圖1 負溫度系數電阻組成的輸入軟啟動(dòng)電路
在開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)時(shí)， 由于脈寬調制器尚未建立穩定的驅動(dòng)脈沖， 需采取措施使得驅動(dòng)脈沖逐漸建立起來(lái)， 該開(kāi)關(guān)電源脈寬調制器采用性?xún)r(jià)比較高的脈寬調制器T L494。如圖2, TL494 的第四腳為死區控制， 它既可以為變換功率管提供安全的死區時(shí)間控制， 也可以作為驅動(dòng)芯片的軟啟動(dòng)控制。開(kāi)機瞬間， 電容器C1上未建立電壓， + 5 V 通過(guò)電容C1 送TL494: 4 腳， 封鎖脈寬調制器的輸出脈沖。隨著(zhù)電容C1 兩端電壓逐漸升高， T L494: 4 腳電壓逐漸下降， 驅動(dòng)脈沖寬度逐漸展寬。當輔助電源+ 15 V 出現故障時(shí)， 三級管V1迅速導通， + 5 V 電壓經(jīng)三極管V1 送T L494: 4 腳， 切斷驅動(dòng)脈沖， 使開(kāi)關(guān)電源停止工作而不致?lián)p壞。
圖2 利用TL494:4 腳進(jìn)行驅動(dòng)軟啟動(dòng)及電源保護
( 2) 過(guò)壓保護電路
通常的數字信號處理電路大多采用TT L 或CMOS 系列的集成門(mén)電路。對于T TL 集成門(mén)電路，往往工作電壓不能大于5. 5 V。該數控系統開(kāi)關(guān)電源輸出有多路， 有+ 5 V, + 15 V, - 15 V, + 24 V 等多路輸出， 在開(kāi)關(guān)電源系統中， 對主變換電壓+ 5 V 進(jìn)行過(guò)壓保護， 具體電路見(jiàn)圖3。
圖3 數控開(kāi)關(guān)電源過(guò)壓保護電路
工作原理： 數控開(kāi)關(guān)電源由輔助電源+ 15 V 提供給可控硅V4管陽(yáng)極工作電壓， 實(shí)際輸出取樣電壓送至穩壓管V5 , 當超出保護電壓閾值+ 5. 5 V 時(shí)， 輸出電壓經(jīng)穩壓管、電阻R3 、R4 分壓觸發(fā)可控硅V4 導通， 將輔助電源+ 15 V 通過(guò)電阻R1接地， 同時(shí)通過(guò)二極管V2切斷8 腳電源。調節RP 電位器， 可以對輸出電壓保護閾值點(diǎn)進(jìn)行設置。
( 3) 過(guò)流保護電路
本開(kāi)關(guān)電源過(guò)流保護電路的工作原理見(jiàn)圖4。變壓器T 1原邊串接在開(kāi)關(guān)電源主變壓器原邊回路中， 通過(guò)實(shí)驗選擇合理的變壓器原副邊匝數比， 感應開(kāi)關(guān)電源變換時(shí)的原邊電流值， 經(jīng)二極管V1 ~ V4 整流， R1、C1 濾波后送電位器RP。原邊電流越大， 電流取樣變壓器整流出的電壓越大， 電位器RP 中心點(diǎn)電壓越低，TL494: 2 腳電壓隨之下降， 使得TL494: 3 腳電壓升高， 送入脈寬調制器， 將T L494 驅動(dòng)脈沖寬度逐漸減少， 從而得到過(guò)流保護的目的。圖中電容C4、C5、R10為T(mén)L494 誤差放大器的反饋元件， 使得放大電路穩定可靠。
圖4 數控開(kāi)關(guān)電源過(guò)流保護電路電路圖
( 4) 欠壓保護電路
利用+ 5 V 及PF ( POWER FAIL) 信號進(jìn)行比較， 在+ 5 V 掉電時(shí)， PF 信號至少需維持10 ms 時(shí)間，以便存儲相關(guān)信息。欠壓保護電路如圖5 所示。
(a) 利用LM339 電壓比較器實(shí)現的掉電保護
(b) 上電時(shí)序及掉電保護時(shí)序圖
圖5 數控開(kāi)關(guān)電源的欠壓保護電路
2 保護電路調試與實(shí)現
( 1) 軟啟動(dòng)電路調試
熱敏電阻軟啟動(dòng)電路， 可用電烙鐵對負溫度系數熱敏電阻貼近進(jìn)行烘烤， 用萬(wàn)用表測量其電阻值變化，同時(shí)計時(shí)并估算其電阻變化率， 進(jìn)行初步檢驗。將不同阻值的熱敏電阻分別裝入電路， 用示波器高壓探頭測試開(kāi)機時(shí)整流電路輸出的高壓波形， 比較其電壓建立時(shí)間， 從而選擇合適的負溫度系數熱敏電阻。
( 2) 過(guò)壓保護電路調試
過(guò)壓保護電路中的可控硅觸發(fā)電路要求： 1) 觸發(fā)時(shí)要求能供出足夠的觸發(fā)電壓和電流。2) 不觸發(fā)時(shí)， 觸發(fā)端電壓應小于0. 15 V ~ 0. 2 V, 為防止誤觸發(fā)， 一般宜加1~ 2 V 的負偏壓。3) 觸發(fā)脈沖的上升前沿要陡， 最好在10us 以下， 使觸發(fā)電壓準確。4) 觸發(fā)脈沖必須有足夠的寬度， 因可控硅的開(kāi)通時(shí)間一般在6us 以下， 故脈沖寬度應大于6us, 最好有20us~ 50us。
過(guò)壓保護電路調試： 將輸出電壓逐漸調至5. 5 V,用萬(wàn)用表測試可控硅的觸發(fā)極電壓， 同時(shí)用示波器觀(guān)察驅動(dòng)芯片TL494: 8 腳、11 腳波形， 調節過(guò)壓保護多圈電位器RP, 直到保護電路動(dòng)作， 驅動(dòng)波形消失為止， 此時(shí)保持多圈電位器RP 旋鈕位置不變。逐漸調低輸出電壓， 保護電路因可控硅不觸發(fā)而不動(dòng)作。如再調高輸出電壓至5. 5 V, 保護電路將動(dòng)作， 反復試驗， 直至保護電路工作穩定可靠。
( 3) 過(guò)流保護電路調試
過(guò)流保護電路選擇高頻鐵氧體磁芯EE12, 原邊電感量為0. 013 mH, 副邊電感量為0. 74 mH 。該開(kāi)關(guān)電源+ 5 V 最大輸出電流為25 A, 截取直徑為 1. 2mm 的漆包線(xiàn)一段， 量取其電阻值為0. 2Ω , 將此模擬負載接在電路中， 測量過(guò)流整流輸出電壓Ui, 調整過(guò)流保護多圈電位器， 電路在Ui= - 0. 57 V 時(shí)開(kāi)始保護。改變輸出模擬負載， 反復調試過(guò)流保護電路參數，直到過(guò)流保護電路穩定可靠。
3 結論
本文提出了一種軟啟動(dòng)保護、過(guò)壓過(guò)流保護的具體實(shí)用電路， 最終合理設定了各保護電路的工作參數，使得數控系統開(kāi)關(guān)電源的保護功能穩定可靠， 整機性能得到了提升， 為數控系統的批量生產(chǎn)奠定了基礎。
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開(kāi)關(guān)電源的可靠性直接影響到電子產(chǎn)品系統的可靠性。文中從相關(guān)數控系統開(kāi)關(guān)電源的各種保護電路著(zhù)手，分析設計了數控開(kāi)關(guān)電源的軟啟動(dòng)電路， 過(guò)壓保護、過(guò)流保護、欠壓保護等電路的工作原理和具體設計方法， 解決了數控開(kāi)關(guān)電源的工作可靠性問(wèn)題， 為數控系統的批量生產(chǎn)提供了保障。精密機床數控系統使得加工零件的精度有了穩定的( 2) 過(guò)壓保護電路
通常的數字信號處理電路大多采用TT L 或CMOS 系列的集成門(mén)電路。對于T TL 集成門(mén)電路，往往工作電壓不能大于5. 5 V。該數控系統開(kāi)關(guān)電源輸出有多路， 有+ 5 V, + 15 V, - 15 V, + 24 V 等多路輸出， 在開(kāi)關(guān)電源系統中， 對主變換電壓+ 5 V 進(jìn)行過(guò)壓保護， 具體電路見(jiàn)圖3。
圖3 數控開(kāi)關(guān)電源過(guò)壓保護電路
工作原理： 數控開(kāi)關(guān)電源由輔助電源+ 15 V 提供給可控硅V4管陽(yáng)極工作電壓， 實(shí)際輸出取樣電壓送至穩壓管V5 , 當超出保護電壓閾值+ 5. 5 V 時(shí)， 輸出電壓經(jīng)穩壓管、電阻R3 、R4 分壓觸發(fā)可控硅V4 導通， 將輔助電源+ 15 V 通過(guò)電阻R1接地， 同時(shí)通過(guò)二極管V2切斷8 腳電源。調節RP 電位器， 可以對輸出電壓保護閾值點(diǎn)進(jìn)行設置。
( 3) 過(guò)流保護電路
本開(kāi)關(guān)電源過(guò)流保護電路的工作原理見(jiàn)圖4。變壓器T 1原邊串接在開(kāi)關(guān)電源主變壓器原邊回路中， 通過(guò)實(shí)驗選擇合理的變壓器原副邊匝數比， 感應開(kāi)關(guān)電源變換時(shí)的原邊電流值， 經(jīng)二極管V1 ~ V4 整流， R1、C1 濾波后送電位器RP。原邊電流越大， 電流取樣變壓器整流出的電壓越大， 電位器RP 中心點(diǎn)電壓越低，TL494: 2 腳電壓隨之下降， 使得TL494: 3 腳電壓升高， 送入脈寬調制器， 將T L494 驅動(dòng)脈沖寬度逐漸減少， 從而得到過(guò)流保護的目的。圖中電容C4、C5、R10為T(mén)L494 誤差放大器的反饋元件， 使得放大電路穩定可靠。
圖4 數控開(kāi)關(guān)電源過(guò)流保護電路電路圖
( 4) 欠壓保護電路
利用+ 5 V 及PF ( POWER FAIL) 信號進(jìn)行比較， 在+ 5 V 掉電時(shí)， PF 信號至少需維持10 ms 時(shí)間，以便存儲相關(guān)信息。欠壓保護電路如圖5 所示。
(a) 利用LM339 電壓比較器實(shí)現的掉電保護
(b) 上電時(shí)序及掉電保護時(shí)序圖
圖5 數控開(kāi)關(guān)電源的欠壓保護電路
保證， 在目前機械加工中得到越來(lái)越廣泛的應用。
引言
開(kāi)關(guān)電源電路負責為整個(gè)機床數控系統各部分設備提供電源。本文主要介紹了一種機床數控系統用開(kāi)關(guān)電源各種保護電路的工作原理和實(shí)現方法， 通過(guò)實(shí)際研制， 使得該系統開(kāi)關(guān)電源穩定性大大提高， 保護功能穩定可靠， 滿(mǎn)足了批量生產(chǎn)要求。
1 保護電路工作原理分析
機床數控用開(kāi)關(guān)電源包含有軟啟動(dòng)保護、過(guò)壓保護、過(guò)流保護、欠壓掉電保護等電路。
( 1) 軟啟動(dòng)電路
由于開(kāi)關(guān)電源輸入整流電路后級大多采用電容性濾波電路濾波， 在電源合閘瞬間， 往往會(huì )產(chǎn)生電流幅值高達幾十甚至幾百安培的浪涌電流， 此種浪涌電流十分有害， 會(huì )造成開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)故障甚至損壞。常用的軟啟動(dòng)電路有可控硅和限流電阻組成的防浪涌軟啟動(dòng)保護、繼電器觸點(diǎn)組成的軟啟動(dòng)保護、負溫度系數電阻組成的軟啟動(dòng)保護電路等。
本系統開(kāi)關(guān)電源采用負溫度系數電阻組成的軟啟動(dòng)保護電路， 簡(jiǎn)單實(shí)用， 工作可靠。如圖1, 220 V 交流電經(jīng)線(xiàn)圈L1濾波共模干擾后， 整流產(chǎn)生約三百伏左右直流電壓， RT 電阻為負溫度系數熱敏電阻， 型號為M02-7Ω。當電源合閘瞬間， 浪涌電流使得熱敏電阻發(fā)熱， 阻值迅速減小， 輸出直流電壓逐漸建立， 可有效防止浪涌電流對電源電路的沖擊， 使得整個(gè)電源半橋變換電路穩定可靠。
圖1 負溫度系數電阻組成的輸入軟啟動(dòng)電路
在開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)時(shí)， 由于脈寬調制器尚未建立穩定的驅動(dòng)脈沖， 需采取措施使得驅動(dòng)脈沖逐漸建立起來(lái)， 該開(kāi)關(guān)電源脈寬調制器采用性?xún)r(jià)比較高的脈寬調制器T L494。如圖2, TL494 的第四腳為死區控制， 它既可以為變換功率管提供安全的死區時(shí)間控制， 也可以作為驅動(dòng)芯片的軟啟動(dòng)控制。開(kāi)機瞬間， 電容器C1上未建立電壓， + 5 V 通過(guò)電容C1 送TL494: 4 腳， 封鎖脈寬調制器的輸出脈沖。隨著(zhù)電容C1 兩端電壓逐漸升高， T L494: 4 腳電壓逐漸下降， 驅動(dòng)脈沖寬度逐漸展寬。當輔助電源+ 15 V 出現故障時(shí)， 三級管V1迅速導通， + 5 V 電壓經(jīng)三極管V1 送T L494: 4 腳， 切斷驅動(dòng)脈沖， 使開(kāi)關(guān)電源停止工作而不致?lián)p壞。
圖2 利用TL494:4 腳進(jìn)行驅動(dòng)軟啟動(dòng)及電源保護
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