数字式高压静电发生器的设计

高压静电发生器在静电除尘［1］、油烟净化［2］、静电喷漆以及各种高压静电场实验中应用广泛。目前，国内生产的高压静电发生器可产生几千伏至几

百千伏的高压［3］，但大多为模拟仪表显示，而且价格比较昂贵。因此，本文设计了一种可产生 0 ～10 kV 连续可调、带数字显示的高压静电发生器，具有体积小、元件简单、成本低廉等优点。

1 工作原理

高压静电发生器的总体框架如图 1 所示。220 V的交流电经过变压器降压、整流、滤波后，形成约12 V 的直流电压，输出的 12 V 直流电压分别输入7805 和 LM317，其中 7805 将输出稳定的 5 V 直流电压，作为单片机 AT89S52 及 A/D 转换芯片 ADC0804的工作电压 ，而 LM317 与电位器等元件组成可控直流部分，输出连续可调的 25 V 以内的直流电压。通过编程，使单片机输出 20 kHz 的方波，并用此方波来控制开关管的通断，而开关管的 C 极与 LM317 产生的直流电压分别加在升压变压器的低压输入的两端，便可形成一正一负周期性的尖峰脉冲。该脉冲经升压后再倍压整流、滤波，便可形成直流高压，且其电压值大小可由 LM317 组成的可控直流电压的大小控制。直流高压经过高倍数的分压后，得到一个很小的直流电压，输 入 ADC0804 进 行 模 数 转换［4］，再将得到的数字量送入单片机，通过单片机编程使电压值在数码管上显示［5 － 6］。

2 发生器各模块详细介绍

2. 1 直流电压产生模块

如图 2 所示，220 V 交流电压经过降压变压器降压后，形成 23 V 的交流电压，再经过四端整流桥 D1进行全波整流和 1 000 μF 的大电容 C1 滤波，可得到约 27 V 的直流电压。这 27 V 的直流电压分别输入三端稳压器 7805 和 LM317 的输入端，则 7805 和 LM317 的输出端与调整端电压分别为5 V和 1. 25 V 直流电压。由图 2 可知，LM317 输出的端电压为:VLM317 －OUT = Ｒ0 + VＲ1Ｒ0× 1. 25 ( 1)式中，Ｒ0为 100 Ω 的固定电阻，VＲ1为 2 kΩ 的电位器，VLM317 － OUT 的取值范围为 1. 25 ～ 25 V，具体取值可根据需要调节电位器得到。

图 2 中的稳压二极管 D2、D3起限流保护作用。

2. 2 方波产生模块

此模块功能为产生 100 kHz 左右的方波信号，用于驱动开关三极管。此模块可由 555 定时器、3 个首尾相连的反相器构成的环形振荡器或单片机来实现。由于单片机 AT89S52 使用方便，且内部CMOS 电路产生的噪音较小，在本文中采用单片机产生方波信号。因本文中单片机 AT89S52 还要实现电压测量和数字显示控制的功能，为实现单片机同时控制若干个模块，所以对方波信号的产生将采用 AT89S52 里的定时器功能: 选择 12 MHz 的晶振为单片机提供时钟信号( 单片机每个机器周期为1 μs) ，通过程序设定每隔 5 μs 定时器计数溢出( 周期为 10 μs) ，产生中断信号，使 AT89S52 的P3. 0 管脚产生反向跳变，产生 100 kHz 的方波信号，且不影响单片机对电压测量和数字显示的控制。对于方波信号的频率选择，若频率过小则*终经倍压整流后产生的高压带负载能力下降，电压值衰减严重; 若频率过大( 接近 1 MHz) 则单片机无法控制其他模块。经实验验证，100 kHz 左右的频率较为适宜。

2. 3 正负尖脉冲产生模块

此模块用于产生一正一负交替产生的尖峰脉冲。电路连接如图 3 所示，其中 T2为升压变压器，Q1为 8050 三极管，Ｒ10为三极管基极限流电阻。方波产生模块中的单片机 P3. 0 脚产生的方波信号通过 Ｒ10后输入 8050 的基极，8050 发射极接地，集电极与 T2的一个低压输入端 TI2相连，而直流电压产生模块中的 LM317 输出端与 T2的另一个输入端TI1相连，VI1得到1. 25 ～ 25 V 的直流电压。而方波信号输入三极管 8050，将控制 8050 周期性导通 －截止。由于三极管集电极与 LM317 输出的直流电压之间接了变压器，相当于接了一个较大的电感，因此在 8050 导通 － 截止的瞬间 VI2端产生一个正向脉冲，在其截止 － 导通瞬间产生一个负向脉冲，周期性正负脉冲可由此产生，如图 4 所示，其脉冲频率等于方波信号频率，脉冲幅度由 LM317 输出的直流电压值决定。该脉冲信号经升压变压器升压后，输出频率不变、幅值被放大了的脉冲电压。

2. 4 倍压整流模块

此模块主要由一个倍压整流电路和相应的分压、滤波电路组成。电路原理图如图 5 所示。图 5 中电容 C6 ～ C15、二极管 D6 ～ D15 为倍压整流部分，电容 C16 ～ C20为滤波电路，电阻 Ｒ11和Ｒ12为分压电路。尖脉冲产生模块中的升压变压器输出的高幅值脉冲输入倍压整流电路，根据倍压整流原理，随着电容 C6 ～ C15的交替相互充放电，*终将达到稳定值。若正负脉冲的幅值相等，则稳定后电容 C7 ～ C15、二极管 D6 ～ D14 上的压降都相等且应为电容 C6上压降的两倍。为使输出电压尽可能高，且带负载能力较强，应要求 C6 ～ C15的容量和耐压值都尽可能大。本文采用容量 0. 2 μF、耐压值 2 kV 的电容作为倍压整流的电容。二极管的选取也应与电容相匹配，其耐压值应达到 2 kV，在实际电路制作过程中每个二极管可由两个整流二极管 1N4007( 耐压值 1 200 V) 串联来取代。电容C16 ～ C20构成滤波电路。倍压整流后输出的电压在不加任何负载的情况下为稳定的直流高压，加上负载后，由于有了负载的放电电流，输出电压值将略有下降且不稳定，因此需添加滤波电路。滤波电路的电容要求也是耐压值和容量都尽可能高，在本文中 C16 ～ C20 的选择可与倍压整流中所使用电容一致。图 5 中 Ｒ11、Ｒ12组成分压电路，使 Ｒ12 的电压为 C15 的 电 压 的 1 /1001，约 为 总 输 出 电 压 的1 /5 000，Ｒ9的电压( 0 ～ 2 V) 将输入电压测量模块中的 AD 转换芯片，用于电压测量。为使 Ｒ11、Ｒ12的放电电流尽可能小，从而对输出电压的影响尽可能小，Ｒ11、Ｒ12阻值应尽可能大。实际电路制作过程中 Ｒ11 为 10 个20 MΩ 的 电 阻 串 联 构 成，Ｒ12 选200 kΩ的电阻。

2. 5 电压测量与数字显示控制模块

此模块主要由单片机 AT89S52、集成模数转换器 ADC0804 和 4 位 7 段 共 阳 数 码 管 构 成。ADC0804 是一单片 CMOS8 位逐次逼近型的 A/D 转换器，有较高的转换精度，工作速度中等，成本低，与 8 位微机兼容，其三态输出可直接驱动数据总线。单片机、A/D 转换芯片工作电压以及驱动数码管的三极管发射极电压均由直流电压产生模块中的 7805 提供。整个模块的接线如图 6 所示。其中关键部分接线为: ADC0804 的片选 CS、数字地 DGND、模拟地 AGND、VIN_ 等引脚接地，VIN + 输入被测电压 vI，WＲ、ＲD、INTＲ 分别与单片机的 WＲ、ＲD、INT0 相连，其输出端的 8 位数字信号与单片机的 P1 口相连，其参考电压输入端VＲEF /2 输入 1. 28 V 电压，可由 7805 和电位器组成串联分压电路获得。ADC0804 的时钟信号由 10 kΩ的电阻和 150 pF 的电容串联形成振荡得到。工作时，单片机 WＲ 端输出一个上升沿信号，AD 转换开始。当 AD 转换结束时，ADC0804 的 INTＲ 端输入一个低电平，单片机 INT0 检测到此低电平后 ＲD端输出一个低电平，允许 ADC0804 将数字量输出。单片机 P1 口接收到数字量后，开始对其进行处理，将其转换为相应的十进制电压数值和对应的数码管并输出至数码管显示。经过一段时间( 约 0. 5 s) 延时后，单片机 WＲ 端再输出一个上升沿，开始下一次 A/D 转换—数据处理—显示的过程。值得注意的是，ADC0804 的参考电压输入端 VＲEF /2 输入电压 1. 28 V，而实际参考电压为 VＲEF = 2. 56 V，则由 A/D 转换输入输出公式［6］为:D = 2nVＲEFvI ( 2)式中，vI 为输入的电压模拟量，D 为输出的数字量。此处 ADC0804 的 8 位输出端数字量 为 D =100vI。而根据倍压整流模块中的电路结构，vI为实际输出高电压 vOUT的 1 /5 000，则 ADC0804 输出数字量为 D = vOUT /50。因此，单片机对接收到的数字量进行处理时需将 D 扩大 50 倍，得到实际的输出端电压对应的二进制数后，才能继续进行下一步数码管显示数码的处理。受 ADC0804 转换精度所限，整个系统能区分出输出高电压的*小差异为 50 V，若数码管显示标识单位为 kV，则可显示至小数点后两位，精度为 0. 05 kV。另外，ADC0804 转换时间为 0. 1 ms，但在实际电路中不宜使 ADC0804 一次转换结束后立刻开始下一次转换，否则若测量电压出现波动，在很短时间内有多次测量的不同的电压值被送到数码管输出，由于肉眼的视觉暂留效应，数码管上将无法清晰显示电压值。

3 结束语

本文介绍的高压静电发生器可产生 0 ～ 10 kV连续可调电压，带数字显示的功能，不但具有体积小、元件简单、成本低廉等优点，而且在制作过程中便于调节，对方波的频率调节、数字显示控制等功能只需将单片机取下修改程序即可。目前，该高压静电发生器使用效果良好。