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1發(fā)展歷史

1955年美國的科學家羅那（G.H.Royer）首先研制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。此后，利用這一技術的各種形式的精益求精直流變換器不斷地被研制和涌現(xiàn)出來，從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉換效率低的旋轉和機械振子示換流設備。由于晶體管直流變換器中的功率晶體管工作在開關狀態(tài)，所以由此而制成的穩(wěn)壓電源輸出的組數(shù)多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當時被廣泛地應用于航天及軍事電子設備。由于那時的微電子設備及技術十分落后，不能制作出耐壓高、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采用低電壓輸入，并且轉換的速度也不能太高。

60年代，由于微電子技術的快速發(fā)展，高反壓的晶體管出現(xiàn)了，從此直流變換器就可以直接由市電經(jīng)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范圍，并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(wěn)壓電源的體積和重量大為減小，開關穩(wěn)壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。

70年代以后，與這種技術有關的高頻，高反壓的功率晶體管、高頻電容、開關二極管、開關變壓器的鐵芯等元件也不斷地研制和生產出來，使無工頻變壓器開關穩(wěn)壓電源得到了飛速的發(fā)展，并且被廣泛地應用于電子計算機、通信、航天、彩色電視機等領域，從而使無工頻變壓器開關穩(wěn)壓電源成為各種電源的*。

使用穩(wěn)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(fā)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(jīng)常電壓偏高。對用電設備特別是對電壓要求嚴格的*和精密設備，猶如沒有上保險。

不穩(wěn)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(wěn)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(yè)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(fā)生安全事故，造成不可估量的損失。

2主要功能

穩(wěn)定電壓

當電網(wǎng)電壓出現(xiàn)瞬間波動時，穩(wěn)壓電源會以10-30ms的響應速度對電壓幅值進行補償，使其穩(wěn)定在±2%以內。

多功能綜合保護

穩(wěn)壓器除了基本的穩(wěn)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（低于輸出電壓的-10%）、缺相保護、短路過載保護基本的保護功能。

尖脈沖抑制

（可選）：

電網(wǎng)有時會出現(xiàn)幅值很高，脈寬很窄的尖脈沖，它會擊穿耐壓較低的電子元件。穩(wěn)壓電源的抗浪涌組件能夠對這樣的尖脈沖起到很好的抑制作用。

隔離傳導性EMI電磁干擾（可選）：

數(shù)控設備多采用AC/DC整流+PFC高頻功率因數(shù)校正，自身有一定的干擾性同時對干擾源也有嚴格要求。穩(wěn)壓電源的濾波組件能夠有效隔離電網(wǎng)對設備的干擾同時也能有效隔離設備對電網(wǎng)的干擾。

防雷

應具有的防雷擊能力。

3工作原理

工頻交流電源經(jīng)過變壓器降壓、 整流、濾波后成為一穩(wěn)定的直流電。圖中其余部分是起電壓調節(jié)，實現(xiàn)穩(wěn)壓作用的控制部分。電源接上負載后，通過采樣電路獲得輸出電壓，將此輸出電壓和基準電壓進行比較。如果輸出電壓小于基準電壓，則將誤差值經(jīng)過放大電路放大后送入調節(jié)器的輸入端，通過調節(jié)器調節(jié)使輸出電壓增加，直到和基準值相等；如果輸出電壓大于基準電壓，則通過調節(jié)器使輸出減小。

穩(wěn)壓器電路由=l2V電源電路、電壓檢測控制電路、過電壓保護組成，如圖5-51所示l2V電源電路由調壓變壓器T的W4、W5繞組和整流二極管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(wěn)壓二極管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(wěn)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(jīng)VDl-VD4整流及Cl、C2濾波后，為IC和Vl、V2等提供 士l2V不穩(wěn)定工作電壓。+l2V電壓還有其他作用。經(jīng)Rl-R3分壓、VS穩(wěn)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(jīng)R4、RP2、R6分壓后，為Nl和N2的正相輸入端提供檢測電壓;經(jīng)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均處于截止狀態(tài)，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(jié)范圍為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于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回路。當市電電壓為160-260V時，N3因正相輸入端電壓低于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。

4選購

元器件選擇

R8和R9均選用lW金屬膜電阻器，其余各電阻器選用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型硅整流二極管。

VS選用1/2W、6V的硅穩(wěn)壓二極管，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并聯(lián)，以增大電流負荷。

采用300-500W的電源變壓器改制。先計算出匝/伏比等有關數(shù)據(jù)后再進行繞制，每5V處取出一抽頭并作好標記。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*一樣的印制板上，粘合后對應連接?；蹫樯?、下兩片型式，印制板夾在其中間，使其在滑動時接觸良好?；凵晷难b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(wěn)壓器的輸入端接上一臺手動調壓器，在輸出端接上電壓表，調整調壓器使輸入交流電壓為220V，然后調節(jié)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。

5特點

優(yōu)點

[1].功耗小，效率高。在圖1中的開關穩(wěn)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(tài)，轉換速度很快，頻率一般為50kHz左右，在一些技術*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(wěn)壓電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒有采用笨重的工頻變壓器。由于調整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片。由于這兩方面原因，所以開關穩(wěn)壓電源的體積小，重量輕。

[3].穩(wěn)壓范圍寬。從開關穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調節(jié)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(wǎng)電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開關電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調制型和頻率調制型兩種。這樣，開關穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點，而且實現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設計人員可以根據(jù)實際應用的要求，靈活地選用各種類型的開關穩(wěn)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(wěn)壓電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz，是線性穩(wěn)壓電源的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是采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，采用開關穩(wěn)壓電源時，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)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(fā)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(wěn)壓電源。

缺點

開關穩(wěn)壓電源的缺點是存在較為嚴重的開關干擾。開關穩(wěn)壓電源中，功率調整開關晶體管V工作在開關狀態(tài)，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，這些干擾如果不采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。此外由于開關穩(wěn)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(wǎng)，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，由于國內微電子技術、阻容器件生產技術以及磁性材料技術與一些技術*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(wěn)壓電源還不能得到十分廣泛的普及及使用。特別是對于無工頻變壓器開關穩(wěn)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，在中國還處于研究、開發(fā)階段。在一些技術*國家，開關穩(wěn)壓電源雖然有了一定的發(fā)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(wěn)壓電源的又一個缺點，那就是電路結構復雜，故障率高，維修麻煩。對此，如果設計者和制造者不予以充分重視，則它將直接影響到開關穩(wěn)壓電源的推廣應用。當今，開關穩(wěn)壓電源推廣應用比較困難的主要原因就是它的制作技術難度大、維修麻煩和造價成本較高。