無極可調交流電子負載的設計與實現

　　1引言

　　電阻是電路設計中最常用的電子元器件之一，具有多種型號、使用方便、價格便宜、操作簡便等特點，在電路中具有重要作用，但也存在諸多缺點，譬如阻值不準確、功耗大、響應慢等，給電路設計帶來了諸多不便。本文利用Atmel公司的高性價比AT-mega48單片機設計了一種新型電子阻抗，完全拋開了傳統電阻采用電阻絲實現阻值，而是通過控制場效應管的通斷時間等效改變阻值大小。這種新型的電子阻抗克服了傳統電阻的缺點，具有阻值精確、響應快等優點。

　　2 ATmega48單片機簡介

　　ATmega48單片機是Atmel公司推出的一款高性能單片機。由于該器件采用RISC精簡指令集結構，其指令集大多為單周期指令，具有高速運行的特點。該單片機在1.8 V～5.5 V的電壓范圍內均能正常工作，抗干擾性強，片內自帶4 K字節的Flash、256字節的E2PROM，以及512字節SRAM;內置6～8路10位A/D轉換器、看門狗、3個16位的定時/計數器，具有獨立振蕩器的實時計數器RTC和6路PWM輸出。

　　3 硬件電路設計

　　該系統板卡的主要功能模塊包括雙向光耦觸發雙向可控硅模塊、絕對值電路模塊、A/D采集模塊、通信模塊等。其基本工作原理：上位機發送占空比，通過RS-232通信使下位機產生相應的PWM波，控制光耦的通斷時間，改變可控硅的導通時間，并在一個周期內等效為相應電流，從而實現電流的無極可調。

　　3.1 雙向光耦觸發雙向可控硅模塊

　　MOC3061系列光電雙向可控硅驅動器是一種內置過零檢測電路的新型光電耦合器件，可以采用直流低電壓、小電流控制交流高電壓、大電流。MOC3061輸出端的額定電壓是600 V。最大重復浪涌電流為1 A，最大電壓上升率dv/dt為1 000 V/μs以上，一般高達2 000 V/μs，輸入/輸出隔離電壓大于7 500 V，輸入控制電流為15 mA。該器件觸發晶閘管具有結構簡單、成本低、觸發可靠等特點。MOC3061的內部結構原理圖如圖1所示，它由輸入、輸出兩部分組成。1、2引腳為其輸入端，輸入級是一個砷化鎵紅外發光二極管(LED)，該二極管可在5 mA～15 mA正向電流作用下，發出足夠的紅外光。以觸發輸出部分。3、5引腳懸空，4、6引腳為輸出端，輸出級為具有過零檢測功能的光控雙向可控硅。當紅外發光二極管發射紅外光時，光控雙向可控硅觸發導通。雙向可控硅采用BTA16。最大電流為16 A，耐壓值為600 V。

　　MOC3061和雙向可控硅組成交流通路，實現主回路的通斷。由單片機的PWM波輸出端口控制MOC3061的通斷時間，實現主回路的通斷控制。通過改變PWM波的占空比控制雙向可控硅的通斷時間，從而實現主回路電流的無極可調。

　　在單片機PB1引腳輸出高電平時，過零通斷型光電耦合器MOC3061初級得到約10 mA的正向工作電流，使內部硅化鎵紅外線發射二極管發射紅外光，將過零檢測器中光敏雙向開關在市電過零時導通，接通主回路。在單片機PB1引腳輸出低電平時，雙向開關關斷，主回路關閉。MOC3061和可控硅BTA16的接線如圖2所示。

　　3.2 絕對值電路

　　絕對值電路也稱為全波精密整流型電路，如圖3所示。其工作原理如下：

　　當Ua為正電壓時，D2導通、D1截止，B處的電壓Ub=-2Ua，通過運算放大器U1B的反相求和得到輸出電壓Uc：

　　Uc=-(Ua+Ub)=-(-Ua-2Ua)=Ua

　　當Ua為負電壓時，D1導通、D2截止，B處的電壓Ub=0，通過放大器U1B的反相求和得到輸出電壓Uc：

　　Uc=-(Ua+Ub)=-Ua

　　綜上所述可得：Uc=|Ua|，即輸出端C電壓是輸入端A電壓的絕對值。

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　　3.3 系統主電路

　　系統主電路如圖4所示。上位機發出PWM控制信息，由單片機的PWM端口輸出相應的PWM波，控制交流輸入ACA和ACB的導通時間。交流電導通后經外部負載產生電流，電流器實現電流轉換，經采樣電阻R1后得到電壓信號由絕對值電路輸出到單片機的A/D端口，計算后再輸出至上位機。其中，選取采樣電阻R1要根據電流互感器的變比和單片機A/D的參考電壓計算。本電路采用變化為3：1 000的電流互感器，A/D采用單片機內部的1.1 V基準電壓。而負載電阻R9則是根據需要的電流及電源電壓進行確定，R9確定后就可實現主回路電流在要求范圍內無極可調。

　　3.4 通信模塊

　　上位機與下位機的數據傳輸由通信模塊實現，通信模塊是由CAN總線和RS-232總線模塊組成，其電路如圖5所示。

　　RS-232電平轉換器MAX232可將