淺談大功率測試電源的設(shè)計

　　提起輸出10A以上大功率可調(diào)穩(wěn)壓電源，凡是有過接觸的讀者都會聯(lián)想起：巨大的帶抽頭的電源變壓器、體積很大的散熱器，多個大功率調(diào)整管固定其上，至少lOW以上的儀表風(fēng)機(jī)不停轉(zhuǎn)動為之散熱、加上密布元件的控制板，足以體現(xiàn)出其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。頗為壯觀的儀器。很多的開關(guān)、電位器、復(fù)雜的設(shè)定和LED或LCD顯示裝置似乎很有高科技的味道。

　　但從基本結(jié)構(gòu)上來看，串聯(lián)穩(wěn)壓電路實在缺少創(chuàng)意。大型電源上仍然為一品當(dāng)朝。其效率低、調(diào)整管功耗大的缺點(diǎn)。至今為人們所垢病。

　　能不能采用效率高、管耗小的高頻開關(guān)電源呢？答案是在很多場合，如無刷電機(jī)檢測方面。根本無法正常使用，原因很簡單，開關(guān)電源輸出并不純凈，在阻性負(fù)載時并無影響，但接PWM方式工作的脈動很大的負(fù)載時就力不從心了。

　　這也是現(xiàn)在大型電源采用串穩(wěn)結(jié)構(gòu)為主的主要原因，當(dāng)然廠家也作了很多努力，如為了減少調(diào)整管功耗，采用分抽頭輸出電源變壓器。在外部電壓需求變化時，繼電器控制跟蹤調(diào)節(jié)，自動調(diào)整抽頭位置。此舉大大降低調(diào)整管功耗，改善了系統(tǒng)效率。

　　當(dāng)然也使原來并不簡單的結(jié)構(gòu)更為繁復(fù)。

　　常規(guī)結(jié)構(gòu)的大型穩(wěn)壓電源，很難為廣大電子愛好者仿制，當(dāng)然也包括很多在技術(shù)力量不足的廠家。

　　為什么不能夠獨(dú)出心裁，制造出結(jié)構(gòu)簡單、實用的大電源來，首先必須在基本構(gòu)思上有一個突破，路還是有的。

　　本人曾經(jīng)供職的公司是無刷電機(jī)生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)24V一36V/200W自行車電機(jī)，每個電機(jī)都必須經(jīng)過加載運(yùn)行試驗，需要12V一45V可調(diào)。最大20A測試用可調(diào)穩(wěn)壓電源。這個任務(wù)落在本人身上。為此。

　　考慮了很多結(jié)構(gòu)：最后決定采用30A/380V交流調(diào)壓模塊為控制器件。串聯(lián)在電源變壓器初級，變壓器次級整流濾波輸出相應(yīng)直流電壓。

　　該模塊為雙向間閘管全角控制型，控制電壓0-5V,控制部份與開關(guān)部份絕緣。而且散熱器與內(nèi)部器件絕緣，有很多品牌，我用的杭州西子固態(tài)繼電器廠產(chǎn)品。

　　控制方案設(shè)計：控制電壓由5V電源用電位器分壓調(diào)節(jié)設(shè)定，與輸出直流電壓取樣信號比較處理后，送到模塊輸入端。另外。運(yùn)行中檢測到電流很大時。保護(hù)電路隨機(jī)動作，關(guān)閉模塊并自鎖，直至按下復(fù)位鈕解除。

　　電源變壓器選用1KW,220V輸入、45V輸出的控制變壓器，為了擔(dān)心出現(xiàn)晶閘管調(diào)節(jié)時帶來波形崎變。引起異常發(fā)熱和機(jī)振現(xiàn)象。作了多次長時間模擬試驗，結(jié)果除變壓器在低電壓大電流時略有振動外，無其他異常跡象。證明變壓器可以在晶閘管調(diào)壓工況下運(yùn)行。

　　一、電路元器件介紹如下

　　UT為50N380V單相調(diào)壓型晶閘管模塊。其工作模式為過零觸發(fā)，控制電壓0-5V控制導(dǎo)通角度。和整流器模塊共用200X120鋁成品散熱器，12V/0.45A風(fēng)機(jī)作為強(qiáng)制風(fēng)冷風(fēng)源。B1為1KW/220V控制變壓器，次級45V,L1、C1為8A電源濾波器，K2為雙刀10A電源開關(guān)，C3、R1為消振元件。D1一D4為全波整流二極管模塊。C4大容量電解電容，RL為假負(fù)荷電阻。

　　LM2576ADJ、D5、L1、C6、R2、R3、組成12V穩(wěn)壓電源。向風(fēng)機(jī)、ICl、7805供電，7805、C7、C8為5V穩(wěn)壓器組件。其基本電路如圖1.

　　讀者可以看出：電路結(jié)構(gòu)非常簡單，其電氣性能也達(dá)到作為電機(jī)測試電源的參數(shù)要求，能輸出20-42V直流電壓：調(diào)定電壓值后。電流從0~18A變化時。電壓變化率為O.55V,這雖然相對精密穩(wěn)壓器僅變化0.15V是大了一些，但己經(jīng)能滿足測試要求，因為對廠家來說。該電源無非是一種定量用測試工具，希望結(jié)構(gòu)上牢固皮實、經(jīng)久耐用作為第一需求：事實上該電源非常合乎這種需求。其中一個電源表現(xiàn)不凡，竟創(chuàng)造了三年無需修理的紀(jì)錄！

　　二、電路介紹

　　圖中220電源相線輸入B1初級一端。初級另一端接模塊晶閘管一側(cè)、晶閘管另一側(cè)接中線，晶閘管在交流波形過零后導(dǎo)通。其導(dǎo)通角度。由控制端輸入電平所操控，輸入電壓幅度0V時，導(dǎo)通角為0,輸入5V時全角導(dǎo)通。所以控制電壓變化使輸入到初級的交流電壓相應(yīng)變化，由于B1初、次具固定的比值，所以耦合到次級的電壓產(chǎn)生變化。經(jīng)整流濾波后得到預(yù)期幅值的直流電壓。需要說明的是、調(diào)壓模塊的容量選擇取裕量較大的原因：模塊驅(qū)動感性負(fù)載。工作在切波狀態(tài)，耐壓、電流值要取很大裕量。

　　12V電源由LM2576HV和D5,L1、C6等組成：

　　其輸入電源允許在7-60V之間變化。從輸入電壓上無需另置輸入電源。直接取電工作電源的另一個原因?qū)崿F(xiàn)失電保護(hù)工況，發(fā)生短路和過流保護(hù)動作后。

　　工作電源失電后使12V電源和5V電源相繼失電使系統(tǒng)關(guān)閉而停止工作。其機(jī)理詳見后述。

　　穩(wěn)定的12V電壓還供給12V風(fēng)機(jī)、ICl和下一級5V穩(wěn)壓電源使用。

　　IClA、R12、R13、W1、R14組成電壓設(shè)定信號處理電路，信號輸送到IClB同相端，與IClB反相端輸入的反饋信號作比較處理后。IClB輸出控制信號到模塊控制端。IClA工作于跟隨器模式。

　　IClB為減法器模式工作?？梢钥闯鲈O(shè)定信號與電壓反饋信號相減后放大1.4倍輸出。其增益為R15、R16、R19、R18比值決定，且R18=R16,R15=R19,如果設(shè)計使增益加大，可能造成過補(bǔ)償現(xiàn)象出現(xiàn)，負(fù)載電流加大時輸出電壓反而上升。

　　IClD、R6、R7、R8、C10組成W變換放大電路。

　　其增益為"倍，IClC、R9、R10、R11組成比較器，一旦電流信號經(jīng)過I/、，變換放大后電壓>lClC反相輸入端的基準(zhǔn)信號，IClC迅速翻轉(zhuǎn)為高電平，此時D6向C9充電，C9通過R17使7002導(dǎo)通。

　　IClB輸出的控制電壓被下拉到O.致使模塊晶閘管側(cè)快速關(guān)斷，此時次級電壓消失，工作電源電壓為零。

　　12V和5V因各級濾波電容延遲短時間也放電歸零。

　　此時雖末關(guān)閉220電源，但系統(tǒng)已處于失電狀態(tài)。

　　整機(jī)電流消耗僅為模塊晶閘管側(cè)漏電流。短期內(nèi)要重啟時須按K1后使C9放電，并重新關(guān)閉開啟電源開關(guān)K2即可。

　　D6、C9的設(shè)置防止12V電源末失電時。IClC反復(fù)翻轉(zhuǎn)，使模塊反復(fù)開關(guān)造成器件損壞！由于D6的單向饋電和C9的存貯效應(yīng)。使模塊保持一定時問關(guān)閉狀態(tài)。從而使系統(tǒng)失電或者排除故障有充裕的時間。

　　此電源有一個用途是作無刷電機(jī)耐久性測試，全天候不間斷工作，在夜里常常是無人值守。由于電機(jī)損壞、控制器損壞引起短路也常發(fā)生。采用上述失電保護(hù)方案，可以更好保護(hù)設(shè)備安全。避免不必要的耗電。

　　無此要求時：12V電源另由獨(dú)立電源供電，系統(tǒng)保護(hù)后能保持很長時間的自鎖，而且復(fù)位極為便利，按下K1即可重新工作。無需操作電源開關(guān)K2來實現(xiàn)了。所以使用獨(dú)立電源后的工況與前者相比截然不同！

　　在一切都必須服從實際需求的前提下，電子設(shè)計是有很大的靈活性。可以說，單元電路都是基本元素。一切元素都有各自的特證。關(guān)鍵在在于了解深度，在于優(yōu)化組合。這就是取勝的游戲規(guī)則！