24V開關電源原理和維修

· 電源是任何電子設備必不可缺的一個部分。有些設備具有自備電源，有些設備，如溫度壓力傳感器等，則需另外配用適宜的電源——DC24V電源。隨著各類傳感器在工業(yè)控制領域的大量應用，相應的電源產(chǎn)品的供給也形成了一定的規(guī)模，高效率、模塊化的儀用DC24V電源產(chǎn)品逐漸獨立出來，成為了“專用電源設備”;一些生產(chǎn)線自動控制設備，對供電電源有一定的要求，需要交流穩(wěn)壓供電，各類交流穩(wěn)壓電源設備，能提供較為穩(wěn)壓的電源供給;一些設備，如工業(yè)電腦，為滿足數(shù)據(jù)記憶，應急事件處理等要求，除要求穩(wěn)壓供電外，還需要在電網(wǎng)停電時，能實現(xiàn)不間歇供電，UPS一類電源設備產(chǎn)品也應運而生。

· 其實，從廣義上講，變頻調(diào)速控制器、直流電動機調(diào)速器、電焊機、電鍍機等設備，均可列入電源設備，但上述設備已有專著介紹，本文僅就自動化控制中常用到的，但其電路資料相匱乏甚至為空白的DC24V儀用電源做出電路原理分析和故障檢修指導。

· 儀用DC24V開關電源

· 儀用DC24V開關電源，是一個獨立的電源產(chǎn)品，經(jīng)常作為壓力、溫度傳感器、旋轉編碼器等檢測儀器的專用穩(wěn)定直流電源。有眾多廠商生產(chǎn)和經(jīng)銷該類產(chǎn)品，整機電路組裝于一個易于安裝和電磁屏蔽良好的金屬殼體中，輸入/輸出端子便于進行線路的連接，故障率低，耐受較為惡劣的工業(yè)生環(huán)境。

· CL-A-35-24儀用DC24V開關電源，是額定功率為35W，輸出額定(可調(diào)整)電壓為DC24V的開關電源產(chǎn)品，穩(wěn)壓精度較高，對過載、短路故障有較好的保護功能。

· 開關電源電路，為直—交—直型的逆變電路，是一種電壓和功率的變換器，將直流電壓和功率轉換為脈沖電壓，再整流成為另一種直流電壓。輸入、輸出電壓由開關變壓器相隔離，開關變壓器起到功率傳遞、電壓/電流變換的作用。本機電路中的開關變壓器為降壓變壓器。整機電路由市電整流濾波電路、PWM脈沖生成電路、逆變功率開關電路和開關變壓器二次整流電路、穩(wěn)壓控制和過載保護電路組成。具體電路構成見下圖1。

· 1、電路構成和工作原理分析

· 電路以UC3842振蕩芯片為核心，構成逆變、整流電路。UC3842一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片，相關引腳功能及內(nèi)部電路原理已有介紹，此處從略。AC220V電源經(jīng)共模濾波器L1引入，能較好抑制從電網(wǎng)進入的和從電源本身向輻射的高頻干擾，交流電壓經(jīng)橋式整流電路、電容C4濾波成為約280V的不穩(wěn)定直流電壓，作為由振蕩芯片U1、開關管Q1、開關變壓器T1及其它元件組成的逆變電路。逆變電路，可以分為四個電路部分講解其電路工作原理。

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· 圖1 CL-A-35-24儀用DC24V開關電源

· 1)振蕩回路：開關變壓器的主繞組N1、Q1的漏--源極、R2(工作電流檢測電阻)為電源工作電流的通路;本機啟動電路與其它開關電源(啟動電路由降壓限流電阻組成)有所不同，啟動電路由C5、D3、D4組成，提供一個“瞬態(tài)”的啟動電流，二極管D2吸收反向電壓，D3具有整流作用，保障加到U1的7腳的啟動電流為正電流;電路起振后，由N2自供電繞組、D2、C5整流濾波電路，提供U1芯片的供電電壓。這三個環(huán)節(jié)的正常運行，是電源能夠振蕩起來的先決條件。

· 當然，U1的4腳外接定時元件R48、C8和U1芯片本身，也構成了振蕩回路的一部分。

· 電容式啟動電路，當過載或短路故障發(fā)生時，電路能處于穩(wěn)定的停振保護狀態(tài)，不像電阻啟動電路，會再現(xiàn)“打嗝”式間歇振蕩現(xiàn)象。工作電流檢測從電阻R2上取得，當故障狀態(tài)引起工作過流異常增大時，U1的6腳輸出PWM脈沖占空比減小，N1自供電繞組的感應電路也隨之降低，當U1的7腳供電電壓低于10V時，電路停振，負載電壓為0，這是過流(過載或短路)引發(fā)U1內(nèi)部欠電壓保護電路動作導致的輸出中止;工作電流異常增大時，R2上的電壓降大于1V時，內(nèi)部鎖存器動作，電路停振，這是由過流引發(fā)U1內(nèi)部過流保護動作導致輸出中止。

· 2、穩(wěn)壓回路：開關變壓器的N3繞組、D6、C13、C14等元件組成的24V電源，基準電壓源TL1、光耦合器U2等元件構成了穩(wěn)壓控制回路。U1芯片和1、2腳外圍元件R7、C12，也是穩(wěn)壓回路的一部分。實際上，TL1、U1組成了(相對于U1內(nèi)部電壓誤差放大器)外部誤差放大器，將輸出24V的電壓變化反饋回U1的反饋電壓信號輸入端。當24V輸出電壓上升時，U1的2腳電壓上升，1腳電壓下降，輸出PWM脈沖占空比下降，輸出電路回落。當輸出電壓異常上升時，U1的1腳下降為1V時，內(nèi)部保護電路動作，電路停振。

· 3、保護回路：U1芯片本身和3腳外圍電路構成過流保護回路;N1繞組上并聯(lián)的D1、R1、C9元件構成了開關管的反向電壓吸收保護電路，以提供Q1截止時的反向電流通路，保障Q1的工作安全;實質(zhì)上穩(wěn)壓回路的電壓反饋信號，也可看作是一路電壓保護信號——當反饋電壓幅度達一定值時，電路實施停振保護動作;24V的輸出端并聯(lián)有由R18、ZD2、單向晶閘管SCR組成的過壓保護電路，當穩(wěn)壓電路失常，引起輸出電壓異常上升時，穩(wěn)壓二極管ZD2的擊穿為SCR提供觸發(fā)電流，SCR的導通形成一個“短路電流”信號，強制U1內(nèi)部保護電路產(chǎn)生過流保護動作，電路處于停振狀態(tài)。

· 4、負載回路：N3次級繞組及后續(xù)整流濾波電路，即是電源輸出電路，也可視為負載回路，如D6或C13、C14任一元件擊穿或漏電故障發(fā)生，即形成同負載電路過載、短路一樣的結果，引發(fā)電路處于停振狀態(tài)。負載回路的異常，會牽涉到保護回路和穩(wěn)壓回路，使兩個回路做出相應的保護和調(diào)整動作。但保護電路的內(nèi)容并不僅是局限于保護電路本身，保護電路的起控往往是由于負載電路的異常所引起。

· 振蕩芯片本身參與和構成了前三個回路，芯片損壞，三個回路都會一齊罷工。對三個或四個回路的檢修，是在芯片本身正常的前提下進行的。另外，要像下象棋一樣，用全局觀念和系統(tǒng)思路來進行故障判斷，透過現(xiàn)象看本質(zhì)。如停振故障，也許并非由振蕩回路元件損壞所引起，有可能是穩(wěn)壓回路故障或負載回路異常，導致了芯片內(nèi)部保護電路起控，而停止了PWM脈沖的輸出。并不能將各個回路完全孤立起來進行檢修，某一故障元件的出現(xiàn)很可能表現(xiàn)出“牽一發(fā)而全身動”的效果。

· 2、儀用DC24V開關電源的故障檢修

· 開關電源電路常表現(xiàn)為以下兩種典型故障現(xiàn)象(參照圖1)：

· 此處的檢修是指不連接負載的情況下，對儀用DC24V開關電源進行上電空載下的獨立檢修的。對確保人身安全，建議采用AC220V/220V隔離電源來檢修，以便于帶電測量。

· 1)測24V輸出端子電壓為0V。

· 細聽有上電瞬間設備有“吱”聲，測輸出有電路跳變，隨即輸出電壓變?yōu)?V。說明市電整流濾波電路、U1芯片的啟動、振蕩電路基本上正常的，電路具備起振工作條件，但因保護電路起控，引發(fā)電路停振，重點應檢測負載回路、穩(wěn)壓回路和保護回路。如停電檢測輸出電路回路的D6、C13、C14、SCR等元件有無損壞;穩(wěn)壓回路的TL1、UR1等有無不良;自供電電源R9、D2、C5等元件有無不良;過電壓吸收電路的R1、D1、C9等元件有無不良等。

· 上電瞬間設備無起振聲間，測輸出端一直為0V。測濾波電容C4兩端有無280V直流電壓，若無，應檢測FU、RT及整流電路的好壞;若正常，應順序檢查開關管Q1的漏、源極電流回路和C5、D3啟動回路，R9、D2、C5元件構成的自供電回路;U1外圍振蕩電路及U1元件本身是否不良。

· 2)、24V輸出電壓偏高或偏低。

· 輸出電壓采樣電路中設有半可變電位器UR1，標注為“ADJ”，用于微調(diào)輸出電壓的高低。若輸出電壓偏離正常值不多，可通過調(diào)整UR1，使輸出電壓恢復正常值;輸出電壓嚴重偏高時，引發(fā)SCR受觸發(fā)導通，電路停振，須檢查穩(wěn)壓回路的故障。稍微偏高則可通過UR1來調(diào)整。此處故障檢查的重點落在輸出電壓偏低上，應檢查穩(wěn)壓回路和Q1工作電流回路的故障。

· 當基準電壓源漏電或擊穿時，導致電壓反饋信號上升，輸出PWM脈沖占空比減小，輸出電壓低落;電流采樣電阻R2因引腳氧化或阻值變大時，也會產(chǎn)生輸出電壓過低的故障;當Q1開關管低效，即使穩(wěn)壓回路正常，也會導致開關變壓器T1的儲能減小，輸出電壓過低。這種故障一般較為少見。

· 〔故障實例1〕CL-A-35-24儀用DC24V開關電源，測輸出為0V。檢查開關管Q1及輸出電路、穩(wěn)壓電路元件均損壞，上電細聽無電路起振聲音。測U1各腳電壓為0V，懷疑啟動電路不良。試在電容C5上并聯(lián)0.22uF電容，上電試機，輸出正常。摘下原電容，用電容表測其容量，僅為幾千皮法。故障原因為C5失效后，不能提供振蕩芯片U1(>1mA)的啟動電流，使電路不能起振工作。

· 〔故障實例2〕CL-A-35-24儀用DC24V開關電源，運行中 突然損壞。拆開設備外殼，發(fā)現(xiàn)電容熔斷器FU發(fā)黑燒斷，電源開關管已經(jīng)炸裂，電流采樣電阻R2已經(jīng)斷路，Q1的柵極電阻R10也已經(jīng)燒毀。根據(jù)經(jīng)驗，U1振蕩芯片可能也受沖擊同時損壞。檢查其它元件沒有損壞，更換上述損壞元件，上電試機，輸出24V正常。

· 〔故障實例3〕CL-A-35-24儀用DC24V開關電源，無輸出電壓。上電細聽有“吱”的一聲，說明電路能起振工作，相關振蕩電路及電源電路均正常。判斷故障在穩(wěn)壓回路或輸出回路。測輸出回路的D6、C13、C14、SCR等元件均無異常，檢測基準電壓源器件TL1的1、2腳電阻值極小，拆下與好的器件對測量，證實TL1已經(jīng)擊穿損壞。TL1擊穿損壞后，使光耦合器U2導通程度變深，U1的2腳輸入反饋信號上升，1腳電壓值低于1V，引發(fā)U1內(nèi)容保護電路動作，電路停振。因啟動電路中C5此時已充滿電荷，故不會產(chǎn)生重新啟動動作。但重新上電時，C5的充電電流又會產(chǎn)生U1的啟動電流，使電路起振后再度停振。

· 更換TL1，故障修復。