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稳压电源的基础知识解析

作者:未知 发布时间:2019-09-20点击:

稳压电源(stabilized voltage supply)是能为负载提供稳定的交流电或直流电的电子装置,包括交流稳压电源和直流稳压电源两大类。

当电网电压或负载出现瞬间波动时,稳压电源会以10-30ms的响应速度对电压幅值进行补偿,使其稳定在±2%以内。

主要功能

稳定电压

当电网电压或负载出现瞬间波动时,稳压电源会以10-30ms的响应速度对电压幅值进行补偿,使其稳定在±2%以内。

多功能综合保护

稳压器除了最基本的稳定电压功能以外,还应具有过压保护(超过输出电压的+10%)、欠压保护(低于输出电压的-10%)、缺相保护、短路过载保护最基本的保护功能。

尖脉冲抑制

电网有时会出现幅值很高,脉宽很窄的尖脉冲,它会击穿耐压较低的电子元件。稳压电源的抗浪涌组件能够对这样的尖脉冲起到很好的抑制作用。

隔离传导性EMI电磁干扰(可选):

数控设备多采用AC/DC整流+PFC高频功率因数校正,自身有一定的干扰性同时对干扰源也有严格要求。稳压电源的滤波组件能够有效隔离电网对设备的干扰同时也能有效隔离设备对电网的干扰。

防雷

应具有的防雷击能力。

工作原理

工频交流电源经过变压器降压、 整流、滤波后成为一稳定的直流电。图中其余部分是起电压调节,实现稳压作用的控制部分。电源接上负载后,通过采样电路获得输出电压,将此输出电压和基准电压进行比较。如果输出电压小于基准电压,则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端,通过调节器调节使输出电压增加,直到和基准值相等;如果输出电压大于基准电压,则通过调节器使输出减小。

稳压器电路由电源电路、电压检测控制电路、过电压保护组成,如图所示。电源电路由调压变压器T的W4、W5绕组和整流二极管VDl-VD4、滤波电容器Cl、C2组成。电压检测控制电路由电阻器R-R7、电位器RPl、Rm、稳压二极管VS、电容器C3、C4和运算放大器集成电路IC(Nl-N3)组成。过电压保护电路由IC内部的N3、晶体管V3、电阻器Rl2和继电器K组成。自动调压电路由电阻器R8-Rll、晶体管Vl、V2、直流电动机M、滑动触头和T的Wl-W3绕组组成。

将交流稳压器的输大端与市电相接后,在T的W4、W5绕组上产生了感应电压。该电压经VDl-VD4整流及Cl、C2滤波后,为IC和Vl、V2等提供 士l2V不稳定工作电压。+l2V电压还有其他作用。经Rl-R3分压、VS稳压后,分别为Nl-N3的反相输入端提供基准电压;为过电压保护电路申的K和V3提供工作电源;经R4、RP2、R6分压后,为Nl和N2的正相输入端提供检测电压;经R7、RPl、R5分压后,为N3的正相输入端提供检测电压。

Nl-N3将正相输大端的检测电压与反相输大端的基准电压进行比较,用产生的误差电压去控制自动调压电路。

当市电电压正常时,Nl和N2的输出端电压为OV,Vl和V2均处于截止状态,电动机M不工作。

当市电电压偏低时,Nl和N2输出低电平,使V2导通,Vl截止,M逆时针旋转,通过滑壁臂驱动滑动触头移动,与T相应的电压抽头接触 (T的Wl、W2绕组共设置了21个电压抽头,每一档的电压调节范围为5V),通过T的W2绕组来提升输出电压。当输出交流电压升至220V时,V2截止,M停转。当市电电压偏高时,Nl和N2均输出高电平,使Vl导通,V2截止,M顺时针旋转,通过滑臂驱动滑动触头移动,与T相应的电压抽头接触,通过T的Wl绕组来降低输出电压。当输出交流电压降至220V时,Vl截止,M停转。当市电电压偏高超过260V时,N3因正相输入端电压高于反相输入端电压而输出低电平,使V3截止,K释放,其常闭触头接通交流电压的输出回路。当市电电压为160-260V时,N3因正相输入端电压低于反相输入端电压而输出高电平,使V3导通,K吸合,其常闭触头断开,从而保证负载(用电器)不会因过电压而损坏。

特点

优点

1)功耗小,效率高。在图1中的开关稳压电源电路中,晶体管V在激励信号的激励下,它交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态,转换速度很快,频率一般为50kHz左右,在一些技术先进的国家,可以做到几百或者近1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗很小,电源的效率可以大幅度地提高,其效率可达到80%。

2)体积小,重量轻。从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后,又省去了较大的散热片。由于这两方面原因,所以开关稳压电源的体积小,重量轻。

3)稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的,输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿,这样,在工频电网电压变化较大时,它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽,稳压效果很好。此外,改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样,开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点,而且实现稳压的方法也较多,设计人员可以根据实际应用的要求,灵活地选用各种类型的开关稳压电源。

4)滤波的效率大为提高,使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz,是线性稳压电源的1000倍,这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波,效率也提高了500b倍。在相同的纹波输出电压下,采用开关稳压电源时,滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500—1/1000。

5)电路形式灵活多样。例如,有自激式和他激式,有调宽型和调频型,有单端式和双端式等等,设计者可以发挥各种类型电路的特长,设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。

缺点

开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中,功率调整开关晶体管V工作在开关状态,它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰,这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽,就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离,这些干扰就会串入工频电网,使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。

目前,由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距,因而造价不能进一步降低,也影响到可靠性的进一步提高。所以在中国的电子仪器以及机电一体化仪器中,开关稳压电源还不能得到十分广泛的普及及使用。特别是对于无工频变压器开关稳压电源中的高压电解电容器、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件,在中国还处于研究、开发阶段。在一些技术先进国家,开关稳压电源虽然有了一定的发展,但在实际应用中也还存在一些问题,不能十分令人满意。这暴露出开关稳压电源的又一个缺点,那就是电路结构复杂,故障率高,维修麻烦。对此,如果设计者和制造者不予以充分重视,则它将直接影响到开关稳压电源的推广应用。当今,开关稳压电源推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。

分类

常用的稳压电源有:①铁磁谐振式交流稳压器。由饱和扼流圈与相应的电容器组成,具有恒压伏安特性。②磁放大器式交流稳压器。将磁放大器和自耦变压器串联而成,利用电子线路改变磁放大器的阻抗以稳定输出电压。③滑动式交流稳压器。通过改变变压器滑动接点位置稳定输出电压。④感应式交流稳压器。靠改变变压器次、初级电压的相位差,使输出交流电压稳定。⑤晶闸管交流稳压器。用晶闸管作功率调整元件。稳定度高、反应快且无噪声。但对通信设备和电子设备造成干扰。20世纪80年代以后,又出现3种新型交流稳压电源:补偿式交流稳压器。数控式和步进式交流稳压器。净化式交流稳压器。具有良好隔离作用,可消除来自电网的尖峰干扰。

交流电源

又称交流稳压器。随着电子技术的发展,特别是电子计算机技术应用到各工业、科研领域后,各种电子设备都要求稳定的交流电源供电,电网直接供电已不能满足需要,交流稳压电源的出现解决了这一问题。常用的交流稳压电源有:

①铁磁谐振式交流稳压器。由饱和扼流圈与相应的电容器组成,具有恒压伏安特性。

②磁放大器式交流稳压器。将磁放大器和自耦变压器串联而成,利用电子线路改变磁放大器的阻抗以稳定输出电压。

③滑动式交流稳压器。通过改变变压器滑动接点位置稳定输出电压。

④感应式交流稳压器。靠改变变压器次、初级电压的相位差,使输出交流电压稳定。

⑤晶闸管交流稳压器。用晶闸管作功率调整元件。稳定度高、反应快且无噪声。但对通信设备和电子设备造成干扰。20世纪80年代以后,又出现3种新型交流稳压电源:补偿式交流稳压器。数控式和步进式交流稳压器。净化式交流稳压器。具有良好隔离作用,可消除来自电网的尖峰干扰。

数控稳压电源:是通过观察区在设备输出端取样,对现时电压跟额定电压作出比较、核对,如比较为负值,则发送数据到中央处理器(CPU),由中央处理器作出电压加的命令。同时,检测区检测半导体是否已开、关。确认无误后,中央处理器做出电压加的命令控制半导体工作,从而达到额定电压的标准。如果正值,中央处理器则做出电压减的命令,整个过程全部数字化只需0.048秒时间。

本设备将瞬间反复变化的电压通过数字控制回路稳定来确保输出电压始终为额定电压。

采用数码式控制原理监控电压的变化,通过电子晶闸开关调整变压器的TAP来始终保持稳定的输出电压的数码式电源稳压器(DIGITAL TAPCHANGING METHOD)。

直流电源

又称直流稳压器。它的供电电压大都是交流电压,当交流供电电压的电压或输出负载电阻变化时,稳压器的直接输出电压都能保持稳定。稳压器的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等。前者表示输入电压的变化对输出电压的影响。纹波系数表示在额定工作情况下,输出电压中交流分量的大小;后者表示输入电压或负载急剧变化时,电压回到正常值所需时间。直流稳压电源分连续导电式与开关式两类。前者由工频变压器把单相或三相交流电压变到适当值,然后经整流、滤波,获得不稳定的直流电源,再经稳压电路得到稳定电压(或电流)。这种电源线路简单、纹波小、相互干扰小,但体积大、耗材多,效率低(常低于40%~60%)。后者以改变调整元件(或开关)的通断时间比来调节输出电压,从而达到稳压。这类电源功耗小,效率可达85%左右,但缺点是纹波大、相互干扰大。所以,80年代以来发展迅速。从工作方式上可分为:

①可控整流型。用改变晶闸管的导通时间来调整输出电压。

②斩波型。输入是不稳定的直流电压,以改变开关电路的通断比得到单向脉动直流,再经滤波后得到稳定直流电压。

③变换器型。不稳定直流电压先经逆变器变换成高频交流电,再经变压、整流、滤波后,从所得新的直流输出电压取样,反馈控制逆变器工作频率,达到稳定输出直流电压的目的。

电器用途

交流稳压电源应用于计算机及其周边装置、医疗电子仪器、通讯广播设备、工业电子设备、自动生产线等现代高科技产品的稳压和保护。 直流稳压电源广泛应用于国防、科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、充电设备等的直流供电。

(1)可用于各种电子设备老化,如PCB板老化,家电老化,各类IT产品老化,CCFL老化,灯管老化。

(2)适用于需要自动定时通、断电,自动记周期数的电子元件的老化、测试。

(3)电解电容器脉冲老练。

(4)电阻器,继电器,马达等测试老练。

(5)整机老练;电子元器件性能测试,例行试验。

逆变电源

所谓逆变式稳压电源也叫变频电源, 本变频电源采用16位摩托罗拉处理器控制、高频PWM设计、原装进口三菱1GBT推动。效率达85%以上。反应快速,对100%除载/加载,稳压反应时间在 2ms以内。本变频电源超载能力强,瞬间电流能承受额定电流的300%。波形纯正,频率高稳定,不产生干扰磁波(EMI、EMC)。变频电源不但是研发和实验室,计量室的最佳电源,也是EM/EMC/安规测试的标准电源。

该变频电源具有负载适应性强、效率高,稳定度佳,输出波形品质好、操作简便、体积小、重量轻的特点。本变频电源针对世界各地不同电源种类,使用者不仅可以模拟其电压和频率(47~63Hz)作测试应用;其中按国家军标特制的中频电源还可以支援400Hz频率的国防军事侦测、航空电子及航海、通讯等应用设备。

本变频电源不管是纯阻性,容性,电感性或非线性负载均可长期正常使用。三相可单相使用。可带负载调节电压和频率。其中部分机型可设置开机密码,方便生产车间安全使用。

故障排除

稳压电源在使用过程中的故障排除:

(1)出现压敏电阻爆裂

① 压敏电阻坏;

② 其对应相的光电耦合器损坏;

③ 其对应相的可控硅模块损坏;

④ 其对应相的变压器损坏。

(2)出现熔断体烧断,引起故障声光报警

① 熔断体坏;

② 其对应相的光电耦合器损坏;

③ 其对应相的可控硅模块损坏;

④ 其对相的变压器损坏。

(3)出现断相声光报警

① 其输入电源缺相;

② 机器线路开关缺相输送;

③ 采样变压器损坏;

④调压电位器损坏。

(4)出现某一相稳压指示灯闪烁

① 其对应输入电压超出稳压范围;

② 其对应相的排线插件可否插紧;

③ 其模块板接线端子的线头可有断裂。

注意事项

1.为防止漏磁干扰,稳压器与使用设备之间放置距离不应少于2米。各种磁性记录,碟,卡等应远离本机2米之外,以防意外磁化。

2.稳压器一般包括输入端子(A,B,C),输出端子(a,b,c,n),屏蔽,铁芯壳接地端子。这些端子在稳压系统已正确联接。

3.如负载不平衡度超过20%时在轻载的一相并联一个电阻性负载使之平衡。同样,如果输入端的线电压的不平衡度大于10%时也会影响本机的稳压性能,这时也应从输入端设置单相调压器使输入端的线电压基本平衡。输入电压及负荷两平衡度不超过上述范围,输出线电压不平衡≤5%。

4.当负载设备有短路时,用户需关机检查,消除短路故障后再另行开机。

5.连续工作时间较长时,机器有一定的温升,其指示值会稍为下降,略低于实际电压值。

6.应放在通风较好的位置,若通风条件较差的,请在室内装上换气扇。

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