穩壓電源

1955年美國的科學家羅那（G.H.Royer）首先研製成功了利用磁芯的飽和來進行自激振蕩的晶體管直流變換器。此後，利用這一技術的各種形式、精益求精的直流變換器不斷湧現，從而取代了早期採用的壽命短、可靠性差、轉換效率低的旋轉和機械振子示換流設備。由於晶體管直流變換器中的功率晶體管工作在開關狀態，由此而製成的穩壓電源輸出的組數多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當時被廣泛地應用於航天及軍事電子設備。由於那時的微電子設備及技術十分落後，不能製作出耐壓高、開關速度較高、功率較大的晶體管，所以這個時期的直流變換器只能採用低電壓輸入，並且轉換的速度也不是太高。

60年代開始，由於微電子技術的快速發展，出現了高反壓的晶體管，從此直流變換器就可以直接由市電經整流、濾波后輸入，不再需要工頻變壓器降壓了，從而極大地擴大了它的應用範圍，並在此基礎上誕生了無工頻降壓變壓器的開關電源。省掉了工頻變壓器，又使開關穩壓電源的體積和重量大為減小，開關穩壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。

70年代以後，與這種技術有關的高頻，高反壓的功率晶體管、高頻電容、開關二極體、開關變壓器的鐵芯等元件也不斷地研製和生產出來，使無工頻變壓器開關穩壓電源得到了飛速的發展，並且被廣泛地應用於電子計算機、通信、航天、彩色電視機等領域，從而使無工頻變壓器開關穩壓電源成為各種電源的佼佼者。

使用穩壓電源的必要性

隨著社會飛速前進，用電設備與日俱增。但電力輸配設施的老化和發展滯后，以及設計不良和供電不足等原因造成末端用戶電壓的過低，而線頭用戶則經常電壓偏高。對用電設備特別是對電壓要求嚴格的高新科技和精密設備，猶如沒有上保險。

不穩定的電壓會給設備造成致命傷害或誤動作，影響生產，造成交貨期延誤、質量不穩定等多方面損失。同時加速設備的老化、影響使用壽命甚至燒毀配件，使業主面臨需要維修的困擾或短期內就要更新設備，浪費資源；嚴重者甚至發生安全事故，造成不可估量的損失。

當電網電壓或負載出現瞬間波動時，穩壓電源會以10-30ms的響應速度對電壓幅值進行補償，使其穩定在±2%以內。

穩壓器除了最基本的穩定電壓功能以外，還應具有過壓保護（超過輸出電壓的+10%）、欠壓保護（低於輸出電壓的-10%）、缺相保護、短路過載保護最基本的保護功能。

電網有時會出現幅值很高，脈寬很窄的尖脈衝，它會擊穿耐壓較低的電子元件。穩壓電源的抗浪涌組件能夠對這樣的尖脈衝起到很好的抑制作用。

隔離傳導性EMI電磁干擾（可選）：

數控設備多採用AC/DC整流+PFC高頻功率因數校正，自身有一定的干擾性同時對干擾源也有嚴格要求。穩壓電源的濾波組件能夠有效隔離電網對設備的干擾同時也能有效隔離設備對電網的干擾。

應具有的防雷擊能力。

工頻交流電源經過變壓器降壓、整流、濾波后成為一穩定的直流電。圖中其餘部分是起電壓調節，實現穩壓作用的控制部分。電源接上負載后，通過採樣電路獲得輸出電壓，將此輸出電壓和基準電壓進行比較。如果輸出電壓小於基準電壓，則將誤差值經過放大電路放大後送入調節器的輸入端，通過調節器調節使輸出電壓增加，直到和基準值相等；如果輸出電壓大於基準電壓，則通過調節器使輸出減小。

穩壓器電路由電源電路、電壓檢測控制電路、過電壓保護組成，如圖所示。電源電路由調壓變壓器T的W4、W5繞組和整流二極體VDl-VD4、濾波電容器Cl、C2組成。電壓檢測控制電路由電阻器R-R7、電位器RPl、Rm、穩壓二極體VS、電容器C3、C4和運算放大器集成電路IC（Nl-N3）組成。過電壓保護電路由IC內部的N3、晶體管V3、電阻器Rl2和繼電器K組成。自動調壓電路由電阻器R8-Rll、晶體管Vl、V2、直流電動機M、滑動觸頭和T的Wl-W3繞組組成。將交流穩壓器的輸大端與市電相接后，在T的W4、W5繞組上產生了感應電壓。該電壓經VDl-VD4整流及Cl、C2濾波后，為IC和Vl、V2等提供 士l2V不穩定工作電壓。+l2V電壓還有其他作用。經Rl-R3分壓、VS穩壓后，分別為Nl-N3的反相輸入端提供基準電壓；為過電壓保護電路申的K和V3提供工作電源；經R4、RP2、R6分壓后，為Nl和N2的正相輸入端提供檢測電壓；經R7、RPl、R5分壓后，為N3的正相輸入端提供檢測電壓。

Nl-N3將正相輸大端的檢測電壓與反相輸大端的基準電壓進行比較，用產生的誤差電壓去控制自動調壓電路。

當市電電壓正常時，Nl和N2的輸出端電壓為OV，Vl和V2均處於截止狀態，電動機M不工作。

當市電電壓偏低時，Nl和N2輸出低電平，使V2導通，Vl截止，M逆時針旋轉，通過滑壁臂驅動滑動觸頭移動，與T相應的電壓抽頭接觸（T的Wl、W2繞組共設置了21個電壓抽頭，每一檔的電壓調節範圍為5V），通過T的W2繞組來提升輸出電壓。當輸出交流電壓升至220V時，V2截止，M停轉。當市電電壓偏高時，Nl和N2均輸出高電平，使Vl導通，V2截止，M順時針旋轉，通過滑臂驅動滑動觸頭移動，與T相應的電壓抽頭接觸，通過T的Wl繞組來降低輸出電壓。當輸出交流電壓降至220V時，Vl截止，M停轉。當市電電壓偏高超過260V時，N3因正相輸入端電壓高於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迴路。當市電電壓為160-260V時，N3因正相輸入端電壓低於反相輸入端電壓而輸出高電平，使V3導通，K吸合，其常閉觸頭斷開，從而保證負載（用電器）不會因過電壓而損壞。

元器件選擇

R8和R9均選用lW金屬膜電阻器，其餘各電阻器選用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型硅整流二極體。

VS選用1/2W、6V的硅穩壓二極體，例如lN5233A或lN5995B等型號。

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型運算放大集成電路。

M選用l2V直流電動機。

K選用JRX-l3F型l2V直流繼電器，使用時將其兩組常閉觸頭並聯，以增大電流負荷。

採用300-500W的電源變壓器改制。先計算出匝/伏比等有關數據后再進行繞制，每5V處取出一抽頭並作好標記。先繞Wl-W3繞組，后繞W4和W5繞組。將T各抽頭的外接點與滑臂的滑動觸頭分別裝在兩塊完全一樣的印製板上，粘合后對應連接。滑臂為上、下兩片型式，印製板夾在其中間，使其在滑動時接觸良好。滑臂申心裝上齒輪，電動機M通過齒輪變速后驅動滑臂移動。

電路調試

調試時，先將RPl和R陀的動觸頭調至中間位置，在交流穩壓器的輸入端接上一台手動調壓器，在輸出端接上電壓表，調整調壓器使輸入交流電壓為220V，然後調節R陀的阻值，使M在輸出電壓為220V時停轉。

斷開M的引線（滑動觸頭應接在-220V處），調整RPl，使輸人電壓調至230V時，K立即吸合即可。

1）功耗小，效率高。在圖1中的開關穩壓電源電路中，晶體管V在激勵信號的激勵下，它交替地工作在導通—截止和截止—導通的開關狀態，轉換速度很快，頻率一般為50kHz左右，在一些技術先進的國家，可以做到幾百或者近1000kHz。這使得開關晶體管V的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達到80%。

2）體積小，重量輕。從開關穩壓電源的原理框圖可以清楚地看到這裡沒有採用笨重的工頻變壓器。由於調整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片。由於這兩方面原因，所以開關穩壓電源的體積小，重量輕。

3）穩壓範圍寬。從開關穩壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調節的，輸入信號電壓的變化可以通過調頻或調寬來進行補償，這樣，在工頻電網電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩定的輸出電壓。所以開關電源的穩壓範圍很寬，穩壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調製型和頻率調製型兩種。這樣，開關穩壓電源不僅具有穩壓範圍寬的優點，而且實現穩壓的方法也較多，設計人員可以根據實際應用的要求，靈活地選用各種類型的開關穩壓電源。

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。開關穩壓電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz，是線性穩壓電源的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是採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，採用開關穩壓電源時，濾波電容的容量只是線性穩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，有調寬型和調頻型，有單端式和雙端式等等，設計者可以發揮各種類型電路的特長，設計出能滿足不同應用場合的開關穩壓電源。

開關穩壓電源的缺點是存在較為嚴重的開關干擾。開關穩壓電源中，功率調整開關晶體管V工作在開關狀態，它產生的交流電壓和電流通過電路中的其他元器件產生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不採取一定的措施進行抑制、消除和屏蔽，就會嚴重地影響整機的正常工作。此外由於開關穩壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會串入工頻電網，使附近的其他電子儀器、設備和家用電器受到嚴重的干擾。

目前，由於國內微電子技術、阻容器件生產技術以及磁性材料技術與一些技術先進國家還有一定的差距，因而造價不能進一步降低，也影響到可靠性的進一步提高。所以在中國的電子儀器以及機電一體化儀器中，開關穩壓電源還不能得到十分廣泛的普及及使用。特別是對於無工頻變壓器開關穩壓電源中的高壓電解電容器、高反壓大功率開關管、開關變壓器的磁芯材料等器件，在中國還處於研究、開發階段。在一些技術先進國家，開關穩壓電源雖然有了一定的發展，但在實際應用中也還存在一些問題，不能十分令人滿意。這暴露出開關穩壓電源的又一個缺點，那就是電路結構複雜，故障率高，維修麻煩。對此，如果設計者和製造者不予以充分重視，則它將直接影響到開關穩壓電源的推廣應用。當今，開關穩壓電源推廣應用比較困難的主要原因就是它的製作技術難度大、維修麻煩和造價成本較高。

常用的穩壓電源有：①鐵磁諧振式交流穩壓器。由飽和扼流圈與相應的電容器組成，具有恆壓伏安特性。②磁放大器式交流穩壓器。將磁放大器和自耦變壓器串聯而成，利用電子線路改變磁放大器的阻抗以穩定輸出電壓。③滑動式交流穩壓器。通過改變變壓器滑動接點位置穩定輸出電壓。④感應式交流穩壓器。靠改變變壓器次、初級電壓的相位差，使輸出交流電壓穩定。⑤晶閘管交流穩壓器。用晶閘管作功率調整元件。穩定度高、反應快且無雜訊。但對通信設備和電子設備造成干擾。20世紀80年代以後，又出現3種新型交流穩壓電源：補償式交流穩壓器。數控式和步進式交流穩壓器。凈化式交流穩壓器。具有良好隔離作用，可消除來自電網的尖峰干擾。

又稱交流穩壓器。隨著電子技術的發展，特別是電子計算機技術應用到各工業、科研領域后，各種電子設備都要求穩定的交流電源供電，電網直接供電已不能滿足需要，交流穩壓電源的出現解決了這一問題。常用的交流穩壓電源有：

①鐵磁諧振式交流穩壓器。由飽和扼流圈與相應的電容器組成，具有恆壓伏安特性。

②磁放大器式交流穩壓器。將磁放大器和自耦變壓器串聯而成，利用電子線路改變磁放大器的阻抗以穩定輸出電壓。

③滑動式交流穩壓器。通過改變變壓器滑動接點位置穩定輸出電壓。

④感應式交流穩壓器。靠改變變壓器次、初級電壓的相位差，使輸出交流電壓穩定。

⑤晶閘管交流穩壓器。用晶閘管作功率調整元件。穩定度高、反應快且無雜訊。但對通信設備和電子設備造成干擾。20世紀80年代以後，又出現3種新型交流穩壓電源：補償式交流穩壓器。數控式和步進式交流穩壓器。凈化式交流穩壓器。具有良好隔離作用，可消除來自電網的尖峰干擾。

數控穩壓電源：是通過觀察區在設備輸出端取樣，對現時電壓跟額定電壓作出比較、核對，如比較為負值，則發送數據到中央處理器（CPU），由中央處理器作出電壓加的命令。同時，檢測區檢測半導體是否已開、關。確認無誤后，中央處理器做出電壓加的命令控制半導體工作，從而達到額定電壓的標準。如果正值，中央處理器則做出電壓減的命令，整個過程全部數字化只需0.048秒時間。

本設備將瞬間反覆變化的電壓通過數字控制迴路穩定來確保輸出電壓始終為額定電壓。

採用數碼式控制原理監控電壓的變化，通過電子晶閘開關調整變壓器的TAP來始終保持穩定的輸出電壓的數碼式電源穩壓器（DIGITAL TAPCHANGING METHOD）。

又稱直流穩壓器。它的供電電壓大都是交流電壓，當交流供電電壓的電壓或輸出負載電阻變化時，穩壓器的直接輸出電壓都能保持穩定。穩壓器的參數有電壓穩定度、紋波係數和響應速度等。前者表示輸入電壓的變化對輸出電壓的影響。紋波係數表示在額定工作情況下，輸出電壓中交流分量的大小；後者表示輸入電壓或負載急劇變化時，電壓回到正常值所需時間。直流穩壓電源分連續導電式與開關式兩類。前者由工頻變壓器把單相或三相交流電壓變到適當值，然後經整流、濾波，獲得不穩定的直流電源，再經穩壓電路得到穩定電壓（或電流）。這種電源線路簡單、紋波小、相互干擾小，但體積大、耗材多，效率低（常低於40%～60%）。後者以改變調整元件（或開關）的通斷時間比來調節輸出電壓，從而達到穩壓。這類電源功耗小，效率可達85%左右，但缺點是紋波大、相互干擾大。所以，80年代以來發展迅速。從工作方式上可分為：

①可控整流型。用改變晶閘管的導通時間來調整輸出電壓。

②斬波型。輸入是不穩定的直流電壓，以改變開關電路的通斷比得到單向脈動直流，再經濾波后得到穩定直流電壓。

③變換器型。不穩定直流電壓先經逆變器變換成高頻交流電，再經變壓、整流、濾波后，從所得新的直流輸出電壓取樣，反饋控制逆變器工作頻率，達到穩定輸出直流電壓的目的。

電器用途

交流穩壓電源應用於計算機及其周邊裝置、醫療電子儀器、通訊廣播設備、工業電子設備、自動生產線等現代高科技產品的穩壓和保護。直流穩壓電源廣泛應用於國防、科研、大專院校、實驗室、工礦企業、電解、電鍍、充電設備等的直流供電。

（1）可用於各種電子設備老化，如PCB板老化，家電老化，各類IT產品老化，CCFL老化，燈管老化。

（2）適用於需要自動定時通、斷電，自動記周期數的電子元件的老化、測試。

（3）電解電容器脈衝老練。

（4）電阻器，繼電器，馬達等測試老練。

（5）整機老練；電子元器件性能測試，例行試驗。

所謂逆變式穩壓電源也叫變頻電源，本變頻電源採用16位摩托羅拉處理器控制、高頻PWM設計、原裝進口三菱1GBT推動。效率達85%以上。反應快速，對100%除載/載入，穩壓反應時間在 2ms以內。本變頻電源超載能力強，瞬間電流能承受額定電流的300%。波形純正，頻率高穩定，不產生干擾磁波（EMI、EMC）。變頻電源不但是研發和實驗室，計量室的最佳電源，也是EM/EMC/安規測試的標準電源。

該變頻電源具有負載適應性強、效率高，穩定度佳，輸出波形品質好、操作簡便、體積小、重量輕的特點。本變頻電源針對世界各地不同電源種類，使用者不僅可以模擬其電壓和頻率（47～63Hz）作測試應用；其中按國家軍標特製的中頻電源還可以支援400Hz頻率的國防軍事偵測、航空電子及航海、通訊等應用設備。

本變頻電源不管是純阻性，容性，電感性或非線性負載均可長期正常使用。三相可單相使用。可帶負載調節電壓和頻率。其中部分機型可設置開機密碼，方便生產車間安全使用。

穩壓電源在使用過程中的故障排除：

（1）出現壓敏電阻爆裂

① 壓敏電阻壞；

② 其對應相的光電耦合器損壞；

③ 其對應相的可控硅模塊損壞；

④ 其對應相的變壓器損壞。

（2）出現熔斷體燒斷，引起故障聲光報警

① 熔斷體壞；

② 其對應相的光電耦合器損壞；

③ 其對應相的可控硅模塊損壞；

④ 其對相的變壓器損壞。

（3）出現斷相聲光報警

① 其輸入電源缺相；

② 機器線路開關缺相輸送；

③ 採樣變壓器損壞；

④調壓電位器損壞。

（4）出現某一相穩壓指示燈閃爍

① 其對應輸入電壓超出穩壓範圍；

② 其對應相的排線插件可否插緊；

③ 其模塊板接線端子的線頭可有斷裂。

穩壓電源應在室內通風乾燥處使用，其使用條件要求較嚴，安裝場所應無嚴重影響穩壓器絕緣性能的氣體、蒸汽、化學性沉積、灰塵、油膩污垢及其它爆炸性和腐蝕性介質，應無嚴重振動顛簸。

穩壓電源在到達安裝場所過程中，應輕裝輕放，穩壓器應始終處於垂直向上狀態，不得經受風、雪、冰、雹。

穩壓電源在調試安裝前，必須先檢查設備各部件應完好無損，固定件應牢固可靠，再次確認，使用場合電壓與穩壓器電壓是否相符，本設備為三相四線制，分相調節方式，其系統中線（零線）聯結的可靠性要求較高，應盡可的減少中線（零線）聯結的接觸電阻。本設備必須良好接通大地，地線不能與電力系統重複接地線（中線和與地線相邊）共同使用，以保證安全和提高抗干擾性能。

1.為防止漏磁干擾，穩壓器與使用設備之間放置距離不應少於2米。各種磁性記錄，碟，卡等應遠離本機2米之外，以防意外磁化。

2.穩壓器一般包括輸入端子（A，B，C），輸出端子（a，b，c，n），屏蔽，鐵芯殼接地端子。這些端子在穩壓系統已正確聯接。

3.如負載不平衡度超過20%時在輕載的一相併聯一個電阻性負載使之平衡。同樣，如果輸入端的線電壓的不平衡度大於10%時也會影響本機的穩壓性能，這時也應從輸入端設置單相調壓器使輸入端的線電壓基本平衡。輸入電壓及負荷兩平衡度不超過上述範圍，輸出線電壓不平衡≤5%。

4.當負載設備有短路時，用戶需關機檢查，消除短路故障后再另行開機。

5.連續工作時間較長時，機器有一定的溫升，其指示值會稍為下降，略低於實際電壓值。

6.應放在通風較好的位置，若通風條件較差的，請在室內裝上換氣扇。