发明所属技术领域:电子技术 电子技术方面广泛使用两种直流稳压器,即串连式稳压器和调脉宽-开关式稳压器(简称开关式稳压器),各有优缺点,这是由其工作方式所决定的:前者是可变串连电阻的工作方式,故电路简单、元器件少、成本低、稳压精度高、内阻小,但电效率低;后者是开关式、变换器的工作方式,故电效率高,但电路复杂、元器件多、成本高,可能产生无线电干扰。能否提出一种新方案,即工作方式不同的稳压方案,并研究出实现此方案的最简单的能兼有上两者的优点而舍弃其缺点的电路来呢?这两点就是本发明的目的。
斩波式稳压:将整流后不经滤波的(或其它来源的)脉动波采用开关电路进行定量斩波,即输入电压与负载之间,接入开关电路在输入电压超过某瞬时值时即阻断,此前的电压全部被负载所得到,其波形是中间有缺口、剩余部分与输入波形的相应部分相符;输出电压在输入电压数值变动时,峰值相等但有效值则有所差别,再采用直流电压负反馈加以补偿,最后得到稳压精度高、内阻小的特性。
三极管斩波式稳压器:实现上述方案当然可能有多种途径,可能采用不同的器件,可能设计出不同的线路,但本发明采取了最简单的作法,就是将传统的、应用最广的、除了电效率不高之外还有着许多优点地三极管组成的串连式稳压器加以改造,使之成为开关电路,并具有上述方案所要求的直流电压负反馈特性,其要点有四:(1)取消原电路中的所有电容(这里讨论的是稳压器本身的电路,不包括整流器和负载可能是三极管电路时的情况,实用时稳压器输出端也可能接电容也可能不接,这里只谈基本电路,不论及实用的问题);(2)引入一部分输入电压与取样电压迭加;(3)适当降低取样电压,其数值应使输入电压的波形波动到零时,原取样放大管截止;(4)若取样电压和基准电压取自输出端时,增加一节阻容滤波。
由于这种作法是在串连式稳压器基础上稍加改变,保持了除有源滤波器特性以外的所有优点;又由于将原来的线性工作状态转变为开关工作状态,又有了电效率高的优点。与调脉宽-开关式稳压器相比,在线路复杂度、元器件数量、成本方面的优点是不言而喻的。
下面概述三极管斩波式稳压器的工作原理和应用问题。
附图中:BG1、BG2、BG3分别是控制管,电流放大管、开关管(控制管相当于串连式稳压器的取样放大管、开关管相当于调整管);输入电压经R1、R2分压后的电压为V1';输出电压V2经D2、C2、R7、C1滤波后,一路经R4与R3、R2分压后的电压为V2'(即取样电压),另一路经R5达稳压二极管D1,提供给BG1发射极一个稳定电压VE1(即基准电压);BG1的基极电压为VB1,其集电极负载电阻为R6,输出接纯电阻性负载RZ,为了说明的简便,忽略三极管从导通到饱和等暂短过程。
在附图的波形图中:V1'是V1的分压,波形是相同的;V2'是取样电压,纯直流;VB1是由V1'、V2'迭加而成,VB1=V1'+V2',V1'是在V2'的基础上波动,V1'=0时(A点),VB1=V2',BG1截止,BG2、BG3饱和,VB1在A~B期间均如此,相应的在A'~B'期同,V2=V1;在B点,BG1饱和,BG2、BG3截止,此状态一直保持到C点,相应的在B'~C'期间,V1全部降落在BG2、BG3上,V2=0;在C~D期间,BG1截止,BG2、BG3饱和,相应的在C'~D'期间,V2=V1。下半周情况相同,略。V2图中的E-F线是指V1的瞬时值若达到此线的电压数值时,它分压给V1'的数值,刚好使VB1达到饱和电平,使BG1饱和,BG2、BG3截止,V1全部降落在BG2、BG3上,V2=0。V2图中,V1被切割而留下实践部分即是V2,它所占面积的大小即是其有效值的高低。由于E-F线,V1虽然有升降,但V2的峰值却不变,当然所占面积即有效值有所差别。还可以看出,有一种V1升降而V2降升的相反趋势,这种特性是很奇特的,一方面需要用直流电压负反馈来补偿,另一方面在输入电压升高时输出电压反而有些微的下降,这一点再加上输入端没有滤波电容,使本稳压器具有了稳压的输入电压的上限可以定得很高的优点,并且在实用中,即使市电超出上限(例如300V)在短时间内也不会造成损坏(当然管子的耐压也应适应),这是很可贵的。
此外,若V1的峰值刚低于E-F线,则失控,波形全部不受切割,V2的有效值最高,在实验中也发现在失控前输出电压有一个上升的峰点。
假设V2因负载电流减少而升高,或是因上述“斩波”原理,V1降低而使V2升高,V2'也升高,VB1波动的基础也升高,对于波形的上升沿而言,BG1将提前饱和,BG2、BG3也提前截止,相当于E-F线下降,V2有效值下降;反之亦然;即V2若有一种趋势,则会产生一种反趋势来试图抵消它,这就是直流电压负反馈特性。
V2的波形与V1差别很大,可以看出有波形变换的作用,可能满足某些方面的特殊要求。再者,波形并不影响电功率向其他形式能量的转换(起作用的是有效值),因此,可作功率稳定输出器用,优点是功率稳定精度高,调节范围大(从零到满载)。
将附图中RZ两端并接一个容量足够大的电容,取消D2、C2、R7直接输出端就成了“电容输入式滤波”或“阻容负载”的线路,输出电压的波形比前述的纯电阻性负载的线路有了很大的变化:原来V2被“斩断”的中间缺口和两半周的间隔都因电容的缓慢放电而衔接起来;电容充电后向负载放电终了时电压降落不多,在开关管饱和时对输入电压形成反电动势负载,只有当V1>V2(均为瞬时值)时才充电;充放电是在相当狭窄的瞬时值波动范围内进行,这就是交流波纹。因为V2只利用了V1的部分波形,故充电电流较大,充电期较短,当使用电源变压器时会使电源变压器即整流变压器的脉冲性质较为突出,降低效率,故因是开关工作状态而电效率高的特点不能充分发挥。但在功率较大时,虽然电效率比用串连式稳压器相对提高欠理想,但节电的绝对值却不能忽视(况且成本无所谓增加)。可广泛应用于音响设备和电子仪器、设备中。
电感滤波式线路:增加了低频阻流圈,比电容滤波式线路的性能有较大的提高;在要求高的场合,要使用有源滤波器;若作成无电源变压器的形式,则本发明的优点可以全面的发挥,以上三者的合用,则可作成线路简单、元器件少、成本低、稳压精度高、内阻小、电效率高,可以承受很高的电源电压的冲击,没有无线电干扰(此结论得自实施例)的优良的稳压电源,用于彩电和粗管颈黑白电视机是非常适用的,可望取代传统的开关式稳压电源。
实施例 采用斩波式稳压器的40W收扩机
简介:全晶体管、功放为OTL六管式;收音中波段,标准三管式,约四米拖线作天线;稳压器输出45V,用管3DA87B、DS11、3DD15A;电源变压器有静电隔离,桥式整流,整流管2CZ3A200V、无并连电容,滤波用2200微法50V电解。
实验结果:稳压范围180至260V;市电为220V时,负载电流从40MA到1A,稳压电压波动小于±1%;预使用后满载运行20分钟,开关管散热片(面积较小)和电源变压器手感温热;收音时没有发现象可控硅或行出级工作时产生的无线电干扰现象;另信时,扬声器近处听不出明显的交流声;市电为300V时,满载三分钟无故障。(以上调压均用300VA园调压器;信号源为音频信号发生器、1KHZ,音频全负载试验时用电炉丝一段,电阻为8Ω)