在斷路器可靠性試驗設備中，試驗電源的穩定、精確是保證測試可靠的基礎。否則，無論是在斷路器出廠試驗還是型式試驗中，都會因為測試電源的波動使校驗后的產品存在著合格品被判為不合格，而不合格品被判為合格的可能。傳統恒流源制作是利用二極管、三極管、集成穩壓源的特性制作的參數穩流器、串聯反饋調整型穩流電源、開關穩流源等，但往往存在著輸出電流范圍小、穩流精度不高、效率較低、可靠性較差、輸出紋波大等缺點。我們設計了一種基于AT89C51的恒流源控制系統，電流輸出0?100A，電流精度≤2%，電壓輸出15V，能實現快速、高精度、靈活、多功能的控制要求，在斷路器可靠性試驗中提供了穩定、精確的試驗電源。
主電路的組成
主電路是由電壓電流調節電路，升流變壓器，電流檢測反饋電路，輸入控制和顯示等幾部分電路構成的，以上各個模塊都是由AT89C51來控制的，其總體構架如圖1所示。
圖1 系統結構框圖
1 電壓電流調節電路
電壓調節模塊主要由變壓器和DS1267數字電位器構成，單個DS1267可調精度最大為16位，可知單次最小變化量為1/512，對于220V電壓來說基本可認為是線性關系，符合恒流源的電壓調節精度。電流調節模塊主要由TDA2030芯片和大功率晶體管2SA1302、2SC3281組成的。其中，2SA1302與2SC3281組成推挽功率放大結構，為了增加輸出電流，采用了兩路相同結構的并聯電路，其電路如圖2所示。
圖2 推挽功率放大電路
圖2中，當輸入電壓信號時，由于IN4001兩個二極管的動態電阻很小，且R2的阻值較小，可以認為2SA1302管基極電位的變化與2SC3281管基極電位的變化近似相等，兩個基極的電位隨輸入電壓uin產生相同的變化。當處于輸入信號的正半周，且uin逐漸增大時，2SA1302管基極電流隨之增大，發射極電流也必然增大，負載電阻（即升流變壓器）RL上得到正方向的電流；當uin減小到一定數值時，2SC3281管截止。因此輸入信號的正半周主要是2SA1302管發射極驅動負載。同樣道理，負半周期主要是2SC3281管發射極驅動負載。
2 升流變壓器
本試驗要求產生0～100A的大電流，考慮到本電流源用于斷路器在線檢測，斷路器觸點接觸電阻是15mΩ，這樣在負載上消耗的功率應該為P=I2R=1002×0.015=150W。負載消耗功率150W，考慮變壓器效率及功率裕度，我們選用升流變壓器的額定容量為500VA。
鐵芯面積S與升流變壓器功率P滿足下面經驗公式：ln（S）=0.498×ln（P）+0.22。帶入功率P=500VA，可算出鐵芯截面積S=53.144cm2。根據計算結果，取S=54cm2，選用硅鋼片中間舌尺寸a=6cm，疊厚尺寸b=9cm。
根據鐵芯截面積S和鐵芯的磁通密度B，初級線圈的每伏圈數N可由下式確定：ln（N）=-0.494×ln（P）－0.317×ln（B）＋6.439。采用質量優良的硅鋼片，鐵芯B值取11000高斯，計算得到每伏匝數N=0.831。初級電壓取220V，初級匝數N1=220×0.831=183；次級電壓取7V，次級匝數N2=7×0.831=6。
初、次級匝數以及次級最大電流100A，次級電流：I1=I2×N2/N1=3.4A。根據經驗，每安培電流分配0.3mm2導線截面積。這樣初級導線截面積為1.02mm2，初級導線可選用135mm2扁銅線。次級導線截面積為30mm2，次級導線可選用240mm2扁銅板。
3 電流檢測反饋電路控制顯示模塊
電流檢測反饋模塊由電流互感器、精密絕對值電路、有源低通濾波器以及A/D轉換芯片構成。根據輸出電流，我們選擇DHKYZ-500型號電流互感器作為電流采樣傳感器，該傳感器滿量程電流為500A，滿量程次極輸出電流為100mA，為了滿足A/D轉換器輸入量程（0～5V）的要求。A/D轉換需要直流信號，因此需對交流信號進行調理，本設計所用的精密整流電路如圖3所示，該電路主要由兩個雙運算放大器TL062和相關元器件組成。電路的輸入電壓uin為電流互感器感應輸出的電流。
圖3 精密整流電路
如圖3所示，當ui》0時，Dl導通，D2反向阻斷，可以算出u11=-ui/2，u12=-u11=ui/2》0；當ui《0時，Dl反向阻斷，D2導通，對于第一個運算放大器TL062，可得u11=-ui/3，從而可以算得u12=-ui/2》0，u21=-2u12，最后得uo=-u21=2u12，所以輸出全波整流波形。
由于精密整流電路輸出的信號是脈動直流信號，不能直接作為AD采樣的輸入信號，因此還必須先經過低通濾波器，濾除交流分量，取出直流分量，再給A/D轉換器輸入。
4 控制顯示模塊
目前工業控制中的LED顯示驅動電路普遍采用一種定時或中斷控制方式，這種方式要占據CPU一部分時間，而且動態顯示往往具有亮度不夠，閃爍等特點，而靜態顯示又有硬件電路復雜等缺陷。本系統采用OD-DM12864液晶模塊，其可直接與微機串行口相連，完全解決了LED顯示的諸多不足。用戶只需對位和控制寄存器編程，就可選擇譯碼方式、顯示亮度、關閉等功能。
在斷路器可靠性試驗設備中，試驗電源的穩定、精確是保證測試可靠的基礎。否則，無論是在斷路器出廠試驗還是型式試驗中，都會因為測試電源的波動使校驗后的產品存在著合格品被判為不合格，而不合格品被判為合格的可能。傳統恒流源制作是利用二極管、三極管、集成穩壓源的特性制作的參數穩流器、串聯反饋調整型穩流電源、開關穩流源等，但往往存在著輸出電流范圍小、穩流精度不高、效率較低、可靠性較差、輸出紋波大等缺點。我們設計了一種基于AT89C51的恒流源控制系統，電流輸出0?100A，電流精度≤2%，電壓輸出15V，能實現快速、高精度、靈活、多功能的控制要求，在斷路器可靠性試驗中提供了穩定、精確的試驗電源。
主電路的組成
主電路是由電壓電流調節電路，升流變壓器，電流檢測反饋電路，輸入控制和顯示等幾部分電路構成的，以上各個模塊都是由AT89C51來控制的，其總體構架如圖1所示。
圖1 系統結構框圖
1 電壓電流調節電路
電壓調節模塊主要由變壓器和DS1267數字電位器構成，單個DS1267可調精度最大為16位，可知單次最小變化量為1/512，對于220V電壓來說基本可認為是線性關系，符合恒流源的電壓調節精度。電流調節模塊主要由TDA2030芯片和大功率晶體管2SA1302、2SC3281組成的。其中，2SA1302與2SC3281組成推挽功率放大結構，為了增加輸出電流，采用了兩路相同結構的并聯電路，其電路如圖2所示。
圖2 推挽功率放大電路
圖2中，當輸入電壓信號時，由于IN4001兩個二極管的動態電阻很小，且R2的阻值較小，可以認為2SA1302管基極電位的變化與2SC3281管基極電位的變化近似相等，兩個基極的電位隨輸入電壓uin產生相同的變化。當處于輸入信號的正半周，且uin逐漸增大時，2SA1302管基極電流隨之增大，發射極電流也必然增大，負載電阻（即升流變壓器）RL上得到正方向的電流；當uin減小到一定數值時，2SC3281管截止。因此輸入信號的正半周主要是2SA1302管發射極驅動負載。同樣道理，負半周期主要是2SC3281管發射極驅動負載。
2 升流變壓器
本試驗要求產生0～100A的大電流，考慮到本電流源用于斷路器在線檢測，斷路器觸點接觸電阻是15mΩ，這樣在負載上消耗的功率應該為P=I2R=1002×0.015=150W。負載消耗功率150W，考慮變壓器效率及功率裕度，我們選用升流變壓器的額定容量為500VA。
鐵芯面積S與升流變壓器功率P滿足下面經驗公式：ln（S）=0.498×ln（P）+0.22。帶入功率P=500VA，可算出鐵芯截面積S=53.144cm2。根據計算結果，取S=54cm2，選用硅鋼片中間舌尺寸a=6cm，疊厚尺寸b=9cm。
根據鐵芯截面積S和鐵芯的磁通密度B，初級線圈的每伏圈數N可由下式確定：ln（N）=-0.494×ln（P）－0.317×ln（B）＋6.439。采用質量優良的硅鋼片，鐵芯B值取11000高斯，計算得到每伏匝數N=0.831。初級電壓取220V，初級匝數N1=220×0.831=183；次級電壓取7V，次級匝數N2=7×0.831=6。
初、次級匝數以及次級最大電流100A，次級電流：I1=I2×N2/N1=3.4A。根據經驗，每安培電流分配0.3mm2導線截面積。這樣初級導線截面積為1.02mm2，初級導線可選用135mm2扁銅線。次級導線截面積為30mm2，次級導線可選用240mm2扁銅板。
3 電流檢測反饋電路控制顯示模塊
電流檢測反饋模塊由電流互感器、精密絕對值電路、有源低通濾波器以及A/D轉換芯片構成。根據輸出電流，我們選擇DHKYZ-500型號電流互感器作為電流采樣傳感器，該傳感器滿量程電流為500A，滿量程次極輸出電流為100mA，為了滿足A/D轉換器輸入量程（0～5V）的要求。A/D轉換需要直流信號，因此需對交流信號進行調理，本設計所用的精密整流電路如圖3所示，該電路主要由兩個雙運算放大器TL062和相關元器件組成。電路的輸入電壓uin為電流互感器感應輸出的電流。
圖3 精密整流電路
如圖3所示，當ui》0時，Dl導通，D2反向阻斷，可以算出u11=-ui/2，u12=-u11=ui/2》0；當ui《0時，Dl反向阻斷，D2導通，對于第一個運算放大器TL062，可得u11=-ui/3，從而可以算得u12=-ui/2》0，u21=-2u12，最后得uo=-u21=2u12，所以輸出全波整流波形。
由于精密整流電路輸出的信號是脈動直流信號，不能直接作為AD采樣的輸入信號，因此還必須先經過低通濾波器，濾除交流分量，取出直流分量，再給A/D轉換器輸入。
4 控制顯示模塊
目前工業控制中的LED顯示驅動電路普遍采用一種定時或中斷控制方式，這種方式要占據CPU一部分時間，而且動態顯示往往具有亮度不夠，閃爍等特點，而靜態顯示又有硬件電路復雜等缺陷。本系統采用OD-DM12864液晶模塊，其可直接與微機串行口相連，完全解決了LED顯示的諸多不足。用戶只需對位和控制寄存器編程，就可選擇譯碼方式、顯示亮度、關閉等功能。
控制算法及程序設計思路
1 控制算法選擇
恒流源元件檢測是通過一個多參數相互耦合的時變非線性系統來進行的，影響電流檢測的精度因素很多，并有很大的隨機性，很難用精確的數學模型來描述，即使通過一些手段簡化系統后建立了對象的簡單數學模型，控制效果也不是很好。另外，由于電流隨元件參數的變化而變化，要求控制算法的實時性高，控制過程較為復雜。因此，權衡各種控制方法的優缺點，我們用PID實現實時控制。
2 程序設計思路
根據系統需要在此采用了模塊化程序設計方法，按照硬件功能模塊將程序分解成模塊，然后定義各個模塊的功能和對接口定義。主程序流程圖如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
實驗調試
本實驗輸入交流220V，輸出端為直流15V左右的直流電壓。測量用電流互感器的精度為0.5級和鉗表精度1.0%rdg±10dgt，實驗記錄電流測試值，如表1所示。
從表1可以看出，設置輸入值與電流互感器檢測到的值存在一定偏差，但能控制在1%左右，滿足設計要求。鉗表值有時偏差較大，也是誤差范圍之內。因此結果是符合實際測量精度要求的。