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1發(fā)展歷史

1955年美國(guó)的科學(xué)家羅那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的飽和來(lái)進(jìn)行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后，利用這一技術(shù)的各種形式的精益求精直流變換器不斷地被研制和涌現(xiàn)出來(lái)，從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉(zhuǎn)換效率低的旋轉(zhuǎn)和機(jī)械振子示換流設(shè)備。由于晶體管直流變換器中的功率晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以由此而制成的穩(wěn)壓電源輸出的組數(shù)多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當(dāng)時(shí)被廣泛地應(yīng)用于航天及軍事電子設(shè)備。由于那時(shí)的微電子設(shè)備及技術(shù)十分落后，不能制作出耐壓高、開(kāi)關(guān)速度較高、功率較大的晶體管，所以這個(gè)時(shí)期的直流變換器只能采用低電壓輸入，并且轉(zhuǎn)換的速度也不能太高。

60年代，由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，高反壓的晶體管出現(xiàn)了，從此直流變換器就可以直接由市電經(jīng)整流、濾波后輸入，不再需要工頻變壓器降壓了，從而極大地?cái)U(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，并在此基礎(chǔ)上誕生了無(wú)工頻降壓變壓器的開(kāi)關(guān)電源。省掉了工頻變壓器，又使開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量大為減小，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。

70年代以后，與這種技術(shù)有關(guān)的高頻，高反壓的功率晶體管、高頻電容、開(kāi)關(guān)二極管、開(kāi)關(guān)變壓器的鐵芯等元件也不斷地研制和生產(chǎn)出來(lái)，使無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源得到了飛速的發(fā)展，并且被廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩色電視機(jī)等領(lǐng)域，從而使無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源成為各種電源的*。

使用穩(wěn)壓電源的必要性

隨著社會(huì)飛速前進(jìn)，用電設(shè)備與日俱增。但電力輸配設(shè)施的老化和發(fā)展滯后，以及設(shè)計(jì)不良和供電不足等原因造成末端用戶(hù)電壓的過(guò)低，而線(xiàn)頭用戶(hù)則經(jīng)常電壓偏高。對(duì)用電設(shè)備特別是對(duì)電壓要求嚴(yán)格的*和精密設(shè)備，猶如沒(méi)有上保險(xiǎn)。

不穩(wěn)定的電壓會(huì)給設(shè)備造成致命傷害或誤動(dòng)作，影響生產(chǎn)，造成交貨期延誤、質(zhì)量不穩(wěn)定等多方面損失。同時(shí)加速設(shè)備的老化、影響使用壽命甚至燒毀配件，使業(yè)主面臨需要維修的困擾或短期內(nèi)就要更新設(shè)備，浪費(fèi)資源；嚴(yán)重者甚至發(fā)生安全事故，造成不可估量的損失。

2主要功能

穩(wěn)定電壓

當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)瞬間波動(dòng)時(shí)，穩(wěn)壓電源會(huì)以10-30ms的響應(yīng)速度對(duì)電壓幅值進(jìn)行補(bǔ)償，使其穩(wěn)定在±2%以內(nèi)。

多功能綜合保護(hù)

穩(wěn)壓器除了基本的穩(wěn)定電壓功能以外，還應(yīng)具有過(guò)壓保護(hù)（超過(guò)輸出電壓的+10%）、欠壓保護(hù)（低于輸出電壓的-10%）、缺相保護(hù)、短路過(guò)載保護(hù)基本的保護(hù)功能。

尖脈沖抑制

（可選）：

電網(wǎng)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)幅值很高，脈寬很窄的尖脈沖，它會(huì)擊穿耐壓較低的電子元件。穩(wěn)壓電源的抗浪涌組件能夠?qū)@樣的尖脈沖起到很好的抑制作用。

隔離傳導(dǎo)性EMI電磁干擾（可選）：

數(shù)控設(shè)備多采用AC/DC整流+PFC高頻功率因數(shù)校正，自身有一定的干擾性同時(shí)對(duì)干擾源也有嚴(yán)格要求。穩(wěn)壓電源的濾波組件能夠有效隔離電網(wǎng)對(duì)設(shè)備的干擾同時(shí)也能有效隔離設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的干擾。

防雷

應(yīng)具有的防雷擊能力。

3工作原理

工頻交流電源經(jīng)過(guò)變壓器降壓、 整流、濾波后成為一穩(wěn)定的直流電。圖中其余部分是起電壓調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用的控制部分。電源接上負(fù)載后，通過(guò)采樣電路獲得輸出電壓，將此輸出電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。如果輸出電壓小于基準(zhǔn)電壓，則將誤差值經(jīng)過(guò)放大電路放大后送入調(diào)節(jié)器的輸入端，通過(guò)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使輸出電壓增加，直到和基準(zhǔn)值相等；如果輸出電壓大于基準(zhǔn)電壓，則通過(guò)調(diào)節(jié)器使輸出減小。

穩(wěn)壓器電路由=l2V電源電路、電壓檢測(cè)控制電路、過(guò)電壓保護(hù)組成，如圖5-51所示l2V電源電路由調(diào)壓變壓器T的W4、W5繞組和整流二極管VDl-VD4、濾波電容器Cl、C2組成。電壓檢測(cè)控制電路由電阻器R-R7、電位器RPl、Rm、穩(wěn)壓二極管VS、電容器C3、C4和運(yùn)算放大器集成電路IC（Nl-N3）組成。過(guò)電壓保護(hù)電路由IC內(nèi)部的N3、晶體管V3、電阻器Rl2和繼電器K組成。自動(dòng)調(diào)壓電路由電阻器R8-Rll、晶體管Vl、V2、直流電動(dòng)機(jī)M、滑動(dòng)觸頭和T的Wl-W3繞組組成。將交流穩(wěn)壓器的輸大端與市電相接后，在T的W4、W5繞組上產(chǎn)生了感應(yīng)電壓。該電壓經(jīng)VDl-VD4整流及Cl、C2濾波后，為IC和Vl、V2等提供 士l2V不穩(wěn)定工作電壓。+l2V電壓還有其他作用。經(jīng)Rl-R3分壓、VS穩(wěn)壓后，分別為Nl-N3的反相輸入端提供基準(zhǔn)電壓;為過(guò)電壓保護(hù)電路申的K和V3提供工作電源;經(jīng)R4、RP2、R6分壓后，為Nl和N2的正相輸入端提供檢測(cè)電壓;經(jīng)R7、RPl、R5分壓后，為N3的正相輸入端提供檢測(cè)電壓。

Nl-N3將正相輸大端的檢測(cè)電壓與反相輸大端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，用產(chǎn)生的誤差電壓去控制自動(dòng)調(diào)壓電路。

當(dāng)市電電壓正常時(shí)，Nl和N2的輸出端電壓為OV，Vl和V2均處于截止?fàn)顟B(tài)，電動(dòng)機(jī)M不工作。

當(dāng)市電電壓偏低時(shí)，Nl和N2輸出低電平，使V2導(dǎo)通，Vl截止，M逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過(guò)滑壁臂驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)觸頭移動(dòng)，與T相應(yīng)的電壓抽頭接觸 （T的Wl、W2繞組共設(shè)置了21個(gè)電壓抽頭，每一檔的電壓調(diào)節(jié)范圍為5V），通過(guò)T的W2繞組來(lái)提升輸出電壓。當(dāng)輸出交流電壓升至220V時(shí)，V2截止，M停轉(zhuǎn)。當(dāng)市電電壓偏高時(shí)，Nl和N2均輸出高電平，使Vl導(dǎo)通，V2截止，M順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過(guò)滑臂驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)觸頭移動(dòng)，與T相應(yīng)的電壓抽頭接觸，通過(guò)T的Wl繞組來(lái)降低輸出電壓。當(dāng)輸出交流電壓降至220V時(shí)，Vl截止，M停轉(zhuǎn)。當(dāng)市電電壓偏高超過(guò)260V時(shí)，N3因正相輸入端電壓高于反相輸入端電壓而輸出低電平，使V3截止，，K釋放，其常閉觸頭接通交流電壓的輸出回路。當(dāng)市電電壓為160-260V時(shí)，N3因正相輸入端電壓低于反相輸入端電壓而輸出高電平，使V3導(dǎo)通，K吸合，其常閉觸頭斷開(kāi)，從而保證負(fù)載（用電器）不會(huì)因過(guò)電壓而損壞。

4選購(gòu)

元器件選擇

R8和R9均選用lW金屬膜電阻器，其余各電阻器選用1/4W或l/2W金屬膜電阻器。

RPl和RP2均選用精密可變電阻器。

Cl-C4均選用耐壓值為16V的鋁電解電容器。

VDl-VD4均選用lN5404型硅整流二極管。

VS選用1/2W、6V的硅穩(wěn)壓二極管，例如lN5233A或lN5995B等型號(hào)。

Vl選用DSl5或2SC2073型硅NPN晶體管;V2選用CSl5或2SA940型硅PNP晶體管；V3選用S805O或C8050型硅NPN晶體管。

IC選用LM324型運(yùn)算放大集成電路。

M選用l2V直流電動(dòng)機(jī)。

K選用JRX-l3F型l2V直流繼電器，使用時(shí)將其兩組常閉觸頭并聯(lián)，以增大電流負(fù)荷。

采用300-500W的電源變壓器改制。先計(jì)算出匝/伏比等有關(guān)數(shù)據(jù)后再進(jìn)行繞制，每5V處取出一抽頭并作好標(biāo)記。先繞Wl-W3繞組，后繞W4和W5繞組。將T各抽頭的外接點(diǎn)與滑臂的滑動(dòng)觸頭分別裝在兩塊*一樣的印制板上，粘合后對(duì)應(yīng)連接。滑臂為上、下兩片型式，印制板夾在其中間，使其在滑動(dòng)時(shí)接觸良好?；凵晷难b上齒輪，電動(dòng)機(jī)M通過(guò)齒輪變速后驅(qū)動(dòng)滑臂移動(dòng)。

電路調(diào)試

調(diào)試時(shí)，先將RPl和R陀的動(dòng)觸頭調(diào)至中間位置，在交流穩(wěn)壓器的輸入端接上一臺(tái)手動(dòng)調(diào)壓器，在輸出端接上電壓表，調(diào)整調(diào)壓器使輸入交流電壓為220V，然后調(diào)節(jié)R陀的阻值，使M在輸出電壓為220V時(shí)停轉(zhuǎn)。

斷開(kāi)M的引線(xiàn) （滑動(dòng)觸頭應(yīng)接在-220V處），調(diào)整RPl，使輸人電壓調(diào)至230V時(shí)，K立即吸合即可。

5特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

[1].功耗小，效率高。在圖1中的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路中，晶體管V在激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)下，它交替地工作在導(dǎo)通—截止和截止—導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度很快，頻率一般為50kHz左右，在一些技術(shù)*的國(guó)家，可以做到幾百或者近1000kHz。這使得開(kāi)關(guān)晶體管V的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達(dá)到80%。

[2].體積小，重量輕。從開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒(méi)有采用笨重的工頻變壓器。由于調(diào)整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片。由于這兩方面原因，所以開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的體積小，重量輕。

[3].穩(wěn)壓范圍寬。從開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵(lì)信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)的，輸入信號(hào)電壓的變化可以通過(guò)調(diào)頻或調(diào)寬來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí)，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。這樣，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，靈活地選用各種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。

[4].濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz，是線(xiàn)性穩(wěn)壓電源的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了500b倍。在相同的紋波輸出電壓下，采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)，濾波電容的容量只是線(xiàn)性穩(wěn)壓電源中濾波電容的1/500—1/1000。

[5].電路形式靈活多樣。例如，有自激式和他激式，有調(diào)寬型和調(diào)頻型，有單端式和雙端式等等，設(shè)計(jì)者可以發(fā)揮各種類(lèi)型電路的特長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出能滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)合的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。

缺點(diǎn)

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是存在較為嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)干擾。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中，功率調(diào)整開(kāi)關(guān)晶體管V工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，它產(chǎn)生的交流電壓和電流通過(guò)電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制、消除和屏蔽，就會(huì)嚴(yán)重地影響整機(jī)的正常工作。此外由于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源振蕩器沒(méi)有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會(huì)串入工頻電網(wǎng)，使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到嚴(yán)重的干擾。

目前，由于國(guó)內(nèi)微電子技術(shù)、阻容器件生產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與一些技術(shù)*國(guó)家還有一定的差距，因而造價(jià)不能進(jìn)一步降低，也影響到可靠性的進(jìn)一步提高。所以在中國(guó)的電子儀器以及機(jī)電一體化儀器中，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源還不能得到十分廣泛的普及及使用。特別是對(duì)于無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中的高壓電解電容器、高反壓大功率開(kāi)關(guān)管、開(kāi)關(guān)變壓器的磁芯材料等器件，在中國(guó)還處于研究、開(kāi)發(fā)階段。在一些技術(shù)*國(guó)家，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源雖然有了一定的發(fā)展，但在實(shí)際應(yīng)用中也還存在一些問(wèn)題，不能十分令人滿(mǎn)意。這暴露出開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的又一個(gè)缺點(diǎn)，那就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，維修麻煩。對(duì)此，如果設(shè)計(jì)者和制造者不予以充分重視，則它將直接影響到開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的推廣應(yīng)用。當(dāng)今，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源推廣應(yīng)用比較困難的主要原因就是它的制作技術(shù)難度大、維修麻煩和造價(jià)成本較高。