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        艦船磁場測量磁通門測磁儀電源電路設(shè)計改進(jìn)

        2023-01-10 03:47:04李豐渫李富安毋金科黃華俊
        數(shù)字海洋與水下攻防 2022年6期
        關(guān)鍵詞:限流穩(wěn)壓電池組

        李豐渫,李富安,沈 皓,黃 衛(wèi),毋金科,黃華俊,劉 樂

        (中國人民解放軍92557部隊,廣東 廣州 510000)

        0 引言

        艦船磁場的測量技術(shù)在二戰(zhàn)后引起了世界各國的廣泛關(guān)注,這使得艦船磁場方面的研究成果不斷地涌現(xiàn)?;诖磐ㄩT原理的測磁儀大量使用在各型艦船的磁場測量工作中,其具備測量準(zhǔn)確、可靠性高等優(yōu)點,該型測磁儀由控制設(shè)備、測磁傳感器、便攜式供電電源、聯(lián)接電纜4部分組成[1],主要用來測量艦船磁場的垂向分量和地磁場大小[2]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和測量環(huán)境的變化,測磁儀電源電路結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,部分元器件需要更新?lián)Q代,通過進(jìn)一步的設(shè)計和優(yōu)化能高效做到快速及時地維修和更換、減小電源體積和重量,以便提高艦船磁場測量的效率。

        現(xiàn)有傳統(tǒng)的測磁儀電源電路復(fù)雜,使得存在體積大、電池容量小等缺點。本文首先在分析電源電路充放電以及電池組部分的缺點基礎(chǔ)上,將充電部分中 SUCCESS型小型全密閉蓄電池改為聚合物鋰電池,變壓器及整流橋改為開關(guān)電源模塊,放電部分由原來僅有的1級穩(wěn)壓改進(jìn)為采用2級穩(wěn)壓。

        1 測磁儀電源電路分析

        1.1 電源電路的原理

        為磁通門測磁儀提供電源輸出的是便攜式電源,是一個獨立的電源箱。內(nèi)置 4 A·h可充電式電池,電壓為±12 V,滿電情況下正常工作時間不小于8 h,充電電壓AC220 V,頻率50 Hz,功率26 W,重量 7 kg,體積 520 mm×320 mm×200 mm[3]。其電路圖和實物如圖1–2所示。

        圖1 測磁儀便攜式電源電路圖Fig.1 Schematic diagram of magnetometer’s portable power circuit

        圖2 測磁儀便攜式電源實物圖Fig.2 Real picture of magnetometer’s portable power supply

        電源電路分為充電部分、電池組及放電部分。電路原理分析如下。

        1)充電部分由市電220 V供電,經(jīng)由變壓器降壓、全波整流橋和限流電路后給電池組進(jìn)行充電??刂萍帮@示電路主要是防止電源過充、短路保護(hù)并顯示實時電壓,如圖3所示。

        圖3 充電電路實物Fig.3 Real picture of charging circuit

        2)供電部分由電池組經(jīng)可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器LM317構(gòu)成的穩(wěn)壓電路,輸出為±9 V,給儀器各部分供電。當(dāng)儀器接通時,發(fā)光二極管 D33發(fā)綠色光,當(dāng)電池組有足夠的電壓時,比較器U33輸出低電平,儀器正常工作;當(dāng)電池組電壓較低時,U33輸出高電平,發(fā)光二極管D34發(fā)出紅色光提示。

        1.2 電源電路的缺點分析

        1)電源電路占用體積過大,使用時散熱效果不好,導(dǎo)致元器件長時間處于高溫的環(huán)境下,影響元器件的精確度、穩(wěn)定性,輸出功率減小,甚至造成電子零件損壞。

        2)電池組采用 SUCCESS型小型全密閉蓄電池,體積較大,容量僅為4 A·h。使用壽命較短、電量衰減率高,不能重復(fù)使用和提供持久穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

        3)在實際使用中,電壓比較器有些情況下不能準(zhǔn)確地指示電源電壓。這是因為放電部分只經(jīng)過一級穩(wěn)壓,且由于LM317正常工作時輸入輸出端至少有3 V的電壓差,所以當(dāng)電源電壓過低時,輸出電壓不能穩(wěn)定在9 V。這時,儀器雖然在工作,但誤差較大,影響測量結(jié)果。

        2 測磁儀電源電路改進(jìn)設(shè)計及測試

        2.1 改進(jìn)后電源電路的原理

        根據(jù)設(shè)計思路,經(jīng)過多次修改,設(shè)計出改進(jìn)后的電源原理框圖和具體電路,如圖4–5所示。

        圖4 改進(jìn)后電源原理框圖Fig.4 Principle block diagram of improved power supply

        圖5 改進(jìn)后電源電路圖Fig.5 Schematic diagram of improved power circuit

        1)充電部分由市電220 V供電,經(jīng)由開關(guān)電源模塊和LM317充電限流電路給電池組進(jìn)行充電。

        ① J1為市電接口,通過電源線將交流 220 V市電接入電路,經(jīng)保險絲F1給開關(guān)電源模塊U1供電,開關(guān)電源輸出紋波較小的直流電,進(jìn)入三端集成穩(wěn)壓器LM317構(gòu)成的限流充電電路。

        ③ 由于 LM317工作時輸入輸出兩端至少有3 V的電壓差,故開關(guān)電源模塊輸出電壓至少調(diào)節(jié)到28.2 V。

        ④ S1是一個雙向開關(guān),當(dāng)開關(guān)S1向觸點3點接通時,電路進(jìn)行充電[5]。R3為 1 Ω限流電阻,Q1導(dǎo)通電壓為0.6 V。故當(dāng)充電電流大于0.6 A時Q1導(dǎo)通,將充電電流控制在0.6 A以下。

        2)供電部分由聚合物電池組分別經(jīng)DKA15B–12型15WDC–DC穩(wěn)壓模塊、LM317與LM337構(gòu)成的±9 V穩(wěn)壓電路儀器給各部分供電。

        當(dāng)開關(guān) S1與觸點 2接觸時,鋰電池放電。U3是一款DC–DC模塊,該模塊在輸入為18~36 V的情況下輸出穩(wěn)定在±12 V。U3輸出的±12 V再經(jīng)穩(wěn)壓電路給儀器供給±9 V的電壓,儀器正常工作。

        2.2 改進(jìn)后電源電路測試

        在對電路的原理、功能進(jìn)行了充分論證后,對實際的電源電路進(jìn)行性能指標(biāo)測試,實驗設(shè)備連接框圖和設(shè)備連接圖如圖6–7所示。

        圖6 電源模塊測試實驗連接框圖Fig.6 Connection block diagram of power module test

        圖7 測試實驗設(shè)備連接圖Fig.7 Connection diagram of test experiment device

        具體方法:1)將原測磁儀模擬板拆下后連接到配套的測磁儀專用調(diào)試臺上;2)將磁探頭連接至專用調(diào)試臺上,使模擬板能夠輸出一個和磁場大小有關(guān)的信號;3)切斷調(diào)試臺與模擬板之間的電壓供應(yīng);4)將改進(jìn)后的電源模塊接入模擬板電源供應(yīng)口;5)打開調(diào)試臺開關(guān)和改進(jìn)后電源模塊供電開關(guān),測量電源兩端輸出電壓以及模擬板輸出電壓。

        經(jīng)過實驗我們發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的電源電路能穩(wěn)定地給測磁儀供電。在充電電流為0.6 A左右的情況下,鋰電池充電時間大約為10 h,且輸出電壓穩(wěn)定,不影響儀器精度。

        2.3 改進(jìn)后電源電路的優(yōu)點分析

        1)將變壓器及整流橋改為開關(guān)電源模塊,如圖8所示,其尺寸為127 mm×76 mm×28 mm,重量僅為200 g。選用單體電壓為3.7 ~ 4.2 V的6 A·h鋰電池,6節(jié)串聯(lián),電池組電壓達(dá)到22.2 ~ 25.2 V,體積約為原蓄電池的1/2。不僅減小了體積,解決了攜帶不便的問題,而且在對電池組進(jìn)行充電時充電電壓更穩(wěn)定。

        圖8 開關(guān)電源實物Fig.8 Real picture of switching power supply

        2)采用LM317構(gòu)成涓流充電限流電路,具有形式簡單、輸出電壓可調(diào)、調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點[6],且能提供超過1.5 A的電流。采用其構(gòu)成的涓流充電限流電路,發(fā)熱少,不會過充,對電池壽命影響小。

        3)SUCCESS型小型全密閉蓄電池改為聚合物鋰電池,自放電率小、壽命長、能量密度大、安全性能高,長時間不使用的情況下能量損失很小[7]。

        4)電池放電電路采用兩級穩(wěn)壓。第1級采用DKA15B–12型 15WDC–DC 穩(wěn)壓模塊[8],其體積為50.8 mm×25.4 mm×11.27 mm,該模塊在輸入18~36 V的條件下輸出固定為±12 V,如圖9所示。第2級采用LM317與LM337構(gòu)成的±9 V電路,采用這種模式后,當(dāng)電池組電壓高于18 V時由于1級穩(wěn)壓的存在,電源始終能以±12 V的穩(wěn)定電壓輸出,不影響2級穩(wěn)壓的輸出。當(dāng)電池組電壓低于18 V時便自動斷電,不存在欠壓工作情況,進(jìn)而提高了測磁儀的穩(wěn)定性。單次充電后,儀器可以使用時間更長。

        圖9 DC–DC穩(wěn)壓模塊實物Fig.9 Real picture of DC–DC voltage regulator module

        5)改進(jìn)后的供電電源元器件數(shù)量減少一半以上,電路更加精簡,充電時散熱性能更好,可將其裝入測磁儀控制臺,而不影響測磁儀其它部分電路正常工作,解決了操作繁瑣的問題。改進(jìn)前后電池組、電源模塊對比如圖10–11所示。

        圖10 改進(jìn)前的電池組和電源模塊Fig.10 Battery pack and power module before improvement

        圖11 改進(jìn)后的電池組和電源模塊Fig.11 Battery pack and power module after improvement

        3 結(jié)束語

        通過對現(xiàn)有磁通門測磁儀供電電路的分析,針對存在的問題,對電路進(jìn)行改進(jìn),解決了電路復(fù)雜、體積大、電池容量小等問題,提高了儀器集成度和整體性能,尤其在水下和空中作業(yè)時方便攜帶,在艦艇磁場的測量中更加快捷、方便。

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