無電壓取樣端直流穩(wěn)定電源校準(zhǔn)專用插頭設(shè)計

荊曉冬 鄭世棋 任宇龍 李盈慧 范雅潔 杜 蕾

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊 050051)

1 引 言

直流穩(wěn)定電源作為最常用的直流供電儀器，應(yīng)用十分廣泛[1]。由于電子技術(shù)的特性，電子設(shè)備對直流電源的要求就是能提供穩(wěn)定準(zhǔn)確、滿足負(fù)載要求的電能[2]，校準(zhǔn)直流穩(wěn)定電源對保障這些因素十分重要。依據(jù)相關(guān)計量技術(shù)規(guī)范[3,4]，直流穩(wěn)定電源的校準(zhǔn)項目包括直流電壓輸出、直流電壓回讀值、直流電流輸出、直流電流回讀值、穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)、穩(wěn)壓源電壓效應(yīng)、穩(wěn)流負(fù)載效應(yīng)、穩(wěn)流源電壓效應(yīng)、穩(wěn)壓輸出周期和隨機(jī)偏差、穩(wěn)流輸出周期和隨機(jī)偏差。直流穩(wěn)定電源多數(shù)體積大、質(zhì)量重，拆卸搬動不易，現(xiàn)場計量已成趨勢[5]。同時，為了提高直流穩(wěn)定電源的校準(zhǔn)效率，各式各樣的直流穩(wěn)定電源自動校準(zhǔn)系統(tǒng)開始被技術(shù)人員廣泛應(yīng)用[6,7]。

從直流穩(wěn)定電源的作用來看，其最重要的兩項指標(biāo)為穩(wěn)壓、穩(wěn)流負(fù)載效應(yīng)，這兩項指標(biāo)體現(xiàn)出直流穩(wěn)定電源在供電時電壓、電流的輸出準(zhǔn)確度[8]。在測量穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)時，不同的連線方式不僅所需時間不同，且可能導(dǎo)致不同測量誤差的引入[9]。本文通過分析穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)的測量過程，設(shè)計出一款便捷、高效，且引入誤差對測量結(jié)果影響較小，可忽略不計的專用插頭。

2 方案設(shè)計

2.1 穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)測量原理

直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)的測量原理[10]如圖1所示。

圖1 穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)測量原理圖Fig.1 Principle diagram of voltage stabilization load effect measurement

大部分直流穩(wěn)定電源都具備穩(wěn)壓和穩(wěn)流兩種輸出方式。由于直流穩(wěn)定電源在實際應(yīng)用中均為帶載應(yīng)用，其穩(wěn)壓和穩(wěn)流的負(fù)載效應(yīng)都應(yīng)按規(guī)范進(jìn)行計量校準(zhǔn)。穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)按式(1)進(jìn)行計算

ΔULV=|Un-Um|

(1)

式中：ΔULV——直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)；Un——直流穩(wěn)定電源輸出空載狀態(tài)下直流標(biāo)準(zhǔn)電壓表的測量值；Um——直流穩(wěn)定電源滿負(fù)載輸出且處于穩(wěn)壓狀態(tài)下直流標(biāo)準(zhǔn)電壓表的測量值。

穩(wěn)流負(fù)載效應(yīng)按式(2)進(jìn)行計算

ΔILV=|Is-Im|

(2)

式中：ΔILV——直流穩(wěn)定電源穩(wěn)流負(fù)載效應(yīng)；Is——直流穩(wěn)定電源輸出短路狀態(tài)下直流標(biāo)準(zhǔn)電流表的測量值；Im——直流穩(wěn)定電源滿負(fù)載輸出且處于穩(wěn)流狀態(tài)下直流標(biāo)準(zhǔn)電流表的測量值。

無論穩(wěn)壓還是穩(wěn)流都會有一個接近額定功率到空載或短路的切換[11]，不同測量連線方式對滿載狀態(tài)時的穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)測量值有不同的影響，引入的測量誤差不同，下面對不同測量連線方式引入的測量誤差進(jìn)行分析。

2.2 穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)測量連線方式及分析

直流穩(wěn)定電源按其輸出端分類有電壓取樣端和無電壓取樣端兩種輸出形式。有電壓取樣端的直流穩(wěn)定電源是將電壓取樣端與電流輸出端在測量線連接處分離，利用四根測量線測量，如圖2所示。圖中“+”和“-”為電源電流輸出端，“sense+”和“sense-”為電源電壓取樣端，RL為直流電子負(fù)載或滑動變阻器，R1和R2分別為回路中插頭與插孔的接觸電阻。這種輸出端的作用就是將電壓測量回路與電流測量回路分離，使測量回路中接觸電阻不會影響電壓的測量值。

有電壓取樣端的直流穩(wěn)定電源連線方式明確，沒有顯著影響因素。

圖2 有電壓取樣端的直流穩(wěn)定電源輸出原理圖Fig.2 Output principle of DC stabilized power supply with voltage sampling terminal

無電壓取樣端直流穩(wěn)定電源輸出端口通常為4mm的香蕉插孔，其電壓取樣端和電流輸出端沒有在外部分離。這種插孔會因不同的連線方式影響著電源穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)的測量結(jié)果。并且不同的連線方式，連線的效率也不相同。

以穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)為例，由于要在近似最大電流輸出狀態(tài)下測量穩(wěn)壓輸出電壓值，無電壓取樣端直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)測量的連線也需要采用四線測量式連線，如圖3所示。

圖3 四線測量式連線圖Fig.3 Wiring diagram of four-line measurement

在四線測量式連線中，電壓測量線為壓片式接頭，電流測量線為香蕉插頭。連線時，需旋動電源輸出端子，壓緊壓片，再將電流測量線插入插孔。這種連線方式在多通道輸出、大批量電源集中計量校準(zhǔn)時，嚴(yán)重影響校準(zhǔn)效率。

在四線測量式連線中，主要是電壓測量線的壓片固定影響了連線的效率。為了規(guī)避這一環(huán)節(jié)，可以使電壓、電流測量線都接入香蕉插頭，測量時將電壓、電流測量線的插頭疊加插入輸出端，將連線方式簡化為雙插式，如圖4所示。雙插式連線用時更短，連線效率較高。但這種連線方式存在一個弊端，會引入對測量結(jié)果影響很大的測量誤差。

圖4 雙插式連線圖Fig.4 Wiring diagram of double plug insertion

分四線測量式與雙插式兩種連線方法對同一臺Keysight公司E3631A直流穩(wěn)定電源第一通道穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)的測量結(jié)果見表1，其電壓輸出6V，電流輸出5A。六次測量平均值相差24mV左右，而該通道穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)的最大允許誤差僅2.6mV，由此可見，雙插式連線雖然簡便，但會引入極大的測量誤差。

分析雙插式連線對測量結(jié)果造成影響的原因。其原理如圖5所示，當(dāng)被校電源輸出額定電壓U0，測量回路負(fù)載斷開，則數(shù)字電壓表測得值為U0；當(dāng)測量回路閉合，被校電源輸出額定電壓U0，調(diào)節(jié)電子負(fù)載使被校電源輸出額定功率，則回路中產(chǎn)生電流I0，此時數(shù)字電壓表測得值為U；按四線測量式連線，通過式(1)計算得到該被校電源的穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)為

ΔULV=|U0-U|

(3)

圖5 雙插式直流穩(wěn)定電源輸出示意圖Fig.5 Output diagram of DC stabilized power supply with double plugs

表1中實驗數(shù)據(jù)表明，按雙插式連線，數(shù)字電壓表測得值實際為U2，并且U2≠U，說明雙插式連線引入了極大的測量誤差。

造成上述問題的原因是由于雙插式連線將電壓、電流測量線疊加在插頭上，因此電壓測量取樣端后移。其實際等效電路如圖6所示。

圖6 接雙線插頭等效電路圖Fig.6 Equivalent cirlcuit diagram for plug with double wire connection

圖6中，R1，R2分別為正負(fù)兩端疊加插頭與插孔的接觸段的等效電阻。當(dāng)回路中流動電流I0，接觸段會產(chǎn)生電壓為

U3=I0(R1+R2)

(4)

被校電源實際的穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)為

ΔULV=|U0-(U3+U2)|

(5)

因此，產(chǎn)生了誤差。

綜上所述，圖3和圖4中連線方式存在的問題歸納為以下兩點。

1)圖3所示四線測量式連線費(fèi)時費(fèi)力問題，在多通道輸出的直流穩(wěn)定電源大批量集中校準(zhǔn)時表現(xiàn)的尤為突出；

2)圖4所示雙插式連線影響測量結(jié)果，引入很大的測量誤差。

設(shè)計一款新型插頭，用于解決雙插式連線引入測量誤差過大的問題，從而提高連線的效率。

2.3 插頭設(shè)計

2.3.1插頭設(shè)計的形式

從以上分析可以得出，當(dāng)電壓、電流測量回路疊加在一起時，電流與接觸電阻產(chǎn)生的電壓會引入測量誤差。因此，新型插頭的設(shè)計可將電壓和電流兩個測量端在同一個插頭上分離，形成電壓隔離形式。新型插頭由8個部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 新型插頭結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of new designed plug

圖7中，編號1、7段為一體結(jié)構(gòu)，并與編號2段互相連通，材料為導(dǎo)電金屬；編號4、6段為一體結(jié)構(gòu)，材料為導(dǎo)電金屬；編號3、5段為一體結(jié)構(gòu)，材料為絕緣硬質(zhì)材料；編號8段為絕緣硬質(zhì)材料。編號1、2、7段作為電壓取樣端，編號4、6段作為電流測量端。電壓取樣端與電流測量端被編號為3、5段的絕緣硬質(zhì)材料隔絕，互不導(dǎo)通。編號6段為插頭的電流測量線焊接端，編號7段為插頭的電壓測量線焊接端。

上述結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了在同一插頭中將電壓與電流回路分離，從而消除了在電壓取樣回路中電流與接觸電阻產(chǎn)生的電壓所引入的測量誤差。

2.3.2新型插頭實驗結(jié)果

利用新型插頭連線方式和四線測量式連線方式對同一臺Keysight公司E3631A直流穩(wěn)定電源的穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)進(jìn)行測量，其電壓輸出6V，電流輸出5A，測量結(jié)果見表2。

表2 兩種連線方式穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)測量結(jié)果(單位:mV)Tab.2 Measurement results of voltage-stabilizing load effect of two connection modes(unit:mV)實驗次數(shù)四線測量式新型插頭11.1311.12121.1251.13531.1221.13641.1371.11951.1341.12661.1221.128

由表2可知，利用新型插頭的測量結(jié)果與四線測量式連線方式的測量結(jié)果一致性良好，引入的測量誤差對測量結(jié)果造成的影響很小。為了進(jìn)一步驗證新型插頭對直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓負(fù)載效測量結(jié)果的影響，分別對Itech公司IT6332B和北京大華電子集團(tuán)DH1766-2兩種型號的直流穩(wěn)定電源進(jìn)行測量，測量結(jié)果見表3和表4。

表3 對同一臺同一通道型號為IT6332B直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)的測量結(jié)果(單位:mV)Tab.3 Measurement results of load effect of the same model IT6332B DC stabilized power supply with the same channel(unit:mV)實驗次數(shù)四線測量式新型插頭11.321mV1.281mV21.389mV1.330mV31.330mV1.391mV41.298mV1.312mV51.315mV1.355mV61.366mV1.323mV

表4 對同一臺同一通道型號為DH1766-2直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)的測量結(jié)果(單位:mV)Tad.4 Measurement results of load effect of the same model DH1766-2 DC stabilized power supply with the same channel(unit:mV)實驗次數(shù)四線測量式新型插頭11.557mV1.538mV21.622mV1.588mV31.589mV1.594mV41.556mV1.547mV51.610mV1.589mV61.567mV1.603mV

根據(jù)上述實驗結(jié)果，可以確定新型插頭對直流穩(wěn)定電源穩(wěn)壓負(fù)載效應(yīng)測量結(jié)果沒有影響。為了對比四線測量式連線方式與新型插頭連線的效率，利用同一套電源自動校準(zhǔn)系統(tǒng)對20臺直流穩(wěn)定電源分別利用兩種連線形式進(jìn)行測量，在不考慮證書的生成用時的情況下,使用兩種接線方式的測量時間對比見表5。

由此可見，僅校準(zhǔn)20臺直流穩(wěn)定電源，兩者時間就相差22min左右。由此可見在更大批量直流穩(wěn)定電源校準(zhǔn)過程中，校準(zhǔn)效率會更加顯著提高。校準(zhǔn)的效率提高會更加顯著。

表5 兩種連線方式測量時間對比Tab.5 Comparison of measurement time between two wiring modes連線方式總體時間四線測量式3h10min新型插頭2h48min

3 結(jié)束語

近年來，隨著自動校準(zhǔn)技術(shù)的不斷成熟，提高校準(zhǔn)效率是計量技術(shù)的發(fā)展方向之一。我們通過分析兩種直流穩(wěn)定電源常見的校準(zhǔn)連線方法，和設(shè)計新型插頭結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了在一個插頭內(nèi)將電壓取樣回路與電流測量回路分離。設(shè)計的新型插頭在提高無電壓取樣端直流穩(wěn)定電源校準(zhǔn)連線效率的基礎(chǔ)上，有效減小了插頭引入的測量誤差，有利于實現(xiàn)直流穩(wěn)定電源自動化校準(zhǔn)。