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    一種新型跟蹤式可控硅直流穩壓電源

    2007-02-02 電子工程師

    1 引 

      信息時代里,BP機已成為常用的通信工具。目前,我國BP機總臺的發射設備都采用進口設備,其輸出電壓為13.8V,電流為15~20A。進口電源不帶可控硅部分,而我國電網波動較大,為此設計了這種低成本穩壓電源。該設計在串聯反饋調整型穩壓電源的基礎上加裝了可控硅相位控制裝置,用調整管兩端壓降來控制可控硅觸發的導通角,維持調整管壓降不變,從而設計出跟蹤式大功率直流穩壓電源。該穩壓電源限制了調整管功耗,實現了大功率。
      
      該穩壓電源主要由單相半控橋整流濾波、線性穩壓器及可控硅相位控制等環節組成,并加裝了過流保護、短路保護、過熱保護裝置及顯示部分。在220V電網電壓波動±15%情況下,輸出電壓13.8V,輸出電流可達20A。由于采用了可控硅相位控制技術,能將調整管兩端壓降限制在3V左右,功耗不大于40W,提高了電源效率。
      
      當輸出電流超過20A時,限流保護可減小輸出電流。若輸出短路,短路保護輸出封鎖信號關斷可控硅。調整管溫度高于60℃時啟動電扇,溫度低于40℃時關斷電扇,溫度高于80℃時關斷可控硅。該電源采用集成可控硅觸發器,雙運算放大器及具有溫度補償的穩壓管作基準源,并配有三端穩壓器作為輔助電源,實現了高精度。

    2 具體電路實現

      電路結構框圖如圖1所示。


      該電路選取單向橋式半控整流電路,降低了成本。大功率或大電流的穩壓電源,一般采用L-C濾波電路。但是,大電流的濾波電抗器體積大,重量重,價格也較貴,因此,在該穩壓電源的設計中仍采用大電容濾波。線性穩壓器部分仍采用串聯反饋調整型穩壓器原理,構成一個閉環反饋系統。主要包括:調整管,取樣電路,基準電壓源,誤差比較放大器。由于該穩壓電源輸出電流20A,電流很大,所以,為減小調整管功耗,采用并聯形式,在本電源中,調整管用兩個大功率三極管并聯,使每管流過電流為10A左右。這樣,每個管子的功耗不大于40W,減小了調整管功耗。調整管集電極電流為10A左右,因此應采用大功率晶體三極管,選取β=40~50,這樣,基極電流應達2×0.3A,即600mA。而一般集成運算放大器輸出電流只有幾十毫安級,不能讓比較放大電路的輸出端直接來推動調整管,因此在比較放大電路的輸出端與調整管的基極之間,加入推動級,此處選擇一個小功率三極管,構成復合管的形式。啟動電阻Rc取2k。防振電容C取10μF。
      
      在穩壓電路中,基準源是整個穩壓系統工作的參考,穩壓的最終效果取決于基準源的水平。因此,該電源中,選用具有溫度補償特性的2CW234系列硅穩壓管作為基準源,并選擇其穩定電壓為6.4V。由特性較好的三端集成穩壓器供電,限流電阻采用精密金屬膜電阻R(溫度系數約為±1×10-5/℃)。為了減小噪聲的影響,將穩壓管封裝在盛油的小容器里,噪聲指標將會有明顯的改善。
      
      電壓取樣如圖2所示。分別將調整管的集-射極電壓經電阻分壓,并將分壓后的射極電壓通過一電阻送入比較放大器反相端;在集電極電壓的取樣電路中串入一穩壓管,由該管決定調整管壓降大小。此處選3.3V。并將集電極電壓減去穩壓管穩壓值后分壓送入比較放大器的同相端。為保證取樣精度,應使集-射極采樣電阻完全對稱,并選取溫度特性較好、同一型號的精密金屬膜電阻。比較放大器采用集成運放并接成負反饋。


      令R1=R3,R2=R4;設分壓系數n=R2/(R1+R2);集成運算放大器輸出為Uo;放大系數為K;調整管集電極電壓為UC;調整管發射極電壓為UE;A點電壓為UA;B點電壓為UB;有:


      當調整管壓降增大,UcE上升,使Uo增大,即觸發器的控制電壓Ub增大,而集成觸發器KJ785是負極型的:控制電壓增大,導通角減小。因此,觸發脈沖后移,整流輸出減小。
      
      可控硅整流擔任第一步的穩壓工作,其輸出電壓的變化是由導通角的變化來決定的。相位控制部分正是根據調整管壓降的變化來改變可控硅導通角,進而改變整流濾波電路輸出電壓,將調整管壓降維持在3V左右。該穩壓電源中,采用KJ785晶閘管移相觸發電路。因為作為一種電源產品,應力求在實現同樣功能的前提下,器件性能好,電路簡單,實現容易。該觸發電路可以輸出兩路相差180度的觸發脈沖,可在0~180度范圍移相,可用于控制單相、雙向晶閘管和晶體管。
      
      KJ785由同步檢測寄存電路,基準電源,鋸齒波形成電路,移相電壓和鋸齒波綜合比較電路與邏輯控制功率放大等部分組成。鋸齒波斜率決定于9腳外接電阻和10腳外接電容。脈沖寬度由腳外接電容決定,不接該電容時,脈沖寬度由內接電容決定,約為30μs。
      
      KJ785只需單電源工作,觸發電路為負極性,即移相電壓增加,導通角減小。同步電壓從5腳輸入,可以直接取自電網電壓,降壓限流電阻取電網電壓×103Ω,也可采用同步變壓器隔離輸入。7,6腳可提供脈沖列和脈沖封鎖的控制端。
      
      各管腳功能如表1所示。

     

      由于該穩壓電源是大功率電源,有發熱量較大的變壓器、整流二極管、可控硅、集成穩壓器等,更主要的是,調整管是大功率晶體管,發熱較大。因此該穩壓電源中,采用風扇送風,選擇價格便宜、性能很好的熱敏元件AD590,將其加裝在調整管的散熱片上。當溫度達60℃左右時,啟動風扇降溫,當溫度回落至40℃左右時,關閉風扇。當溫度高達85℃時,給可控硅觸發回路發出封鎖信號,關斷可控硅,進而關斷電路,避免調整管過熱損壞。

      電路如圖3所示。
      
      AD590的外部特性:0℃時,其電流為273μA;溫度每上升1℃,電流增加1μA;溫度每下降1℃,電流減小1μA;工作溫度為-50℃~+150℃;為避免比較器頻繁動作或誤動作,選擇滯環寬度為1V?!?/FONT>


      取R=40kΩ;選擇集成運放由單電源+5V供電,可由CW78M15分壓得到。
      
      設溫度65℃時比較器基準電壓為EmH,有:

      設溫度40℃時比較器基準電壓為EmL,有

      ?。篟1=2k;Rf=10k

      校驗:

      所以:當溫度為61℃時,啟動風扇;當降低為40℃時,關閉風扇。當調整管溫度達80℃左右時,比較器輸出零電平,封鎖可控硅,進而關斷電路。


      該穩壓電源中,短路保護的功能為當檢測到輸出電壓低于2V并延時2s后時,就判斷為短路。發出封鎖信號關斷可控硅,關斷電路,防止損壞器件。
      限流保護的作用是當負載電流超過20A時,減小調整管基極電流,使輸出電流減小。

    3 結束語

      這種新型跟蹤式可控硅直流穩壓電源成本低,性能較好,精度較高,適于BP機發射臺使用。輸出電壓范圍可達12V至15V,電流可達20A。該電源的特色部分是相位控制,它兼有可控硅和串聯反饋穩壓器的優點,克服了傳統串聯反饋調整型穩壓電源中調整管功耗過大的缺點。

         

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