專利名稱：無大功率工頻變壓器的交流穩(wěn)壓器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種利用相位反轉技術進行自動穩(wěn)壓的交流穩(wěn)壓器。
利用相位反轉技術的交流穩(wěn)壓器具有穩(wěn)壓范圍寬電路簡單等優(yōu)點。因此引起了人們的重視。公開號為CN1032528A的發(fā)明公報，公開了一種利用相位反轉技術的交流穩(wěn)壓器，具有波形失真小，響應速度快和穩(wěn)壓范圍寬等特點。但由于采用了自耦變壓器(工頻變壓器)，因而體積和重量難于減小，另一方面，由于采用了繼電器來控制電壓的反轉，因而在繼電器觸點切換時輸出會出現(xiàn)階躍突變，對某些應用場合是有害的，此外，由于采用可控硅移相來控制導通角的大小實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整，會因可控硅存在誤觸發(fā)而使得可靠性降低。
在廣東科技出版社1993年出版的《高頻開關穩(wěn)壓電源》(張占松著)這本書中詳細論述了古卡(CUK)直流變換原理，本實用新型的目的在于克服了利用相位反轉技術的交流穩(wěn)壓器的缺點，把古卡(CUK)直流變換原理用于交流穩(wěn)壓器中，做出了一種靈敏度高、精度高、響應快的無大功率工頻變壓器的交流穩(wěn)壓器。
本實用新型可通過如下方式實現(xiàn)無大功率工頻變壓器的交流穩(wěn)壓器，整個電路由輸入整流電路(1)、中間能量控制電路(2)和解調(diào)電路(3)組成，其特征在于中間能量控制電路(2)由L1、L2、C15、C16、D2和TR4以及高頻脈寬控制電路組成，C15的一端與電感L1的一端相連于A點，另一端與電感L2的一端相連于B點，L1的另一端與輸入整流電路電位較高的一端相連于P點，L2的另一端則與解調(diào)電路電位較低端連于M點。開關管TR4的一個極接A點，另一個極接輸入整流電路電位較低端N點，二極管D2的陽極與B點相連，陰極與N點相連，在M點與N點之間接有電容C16，N點也接解調(diào)電路(3)的電位較高的一端，電感L1與L2的鐵芯材料為鐵氧體，也可以是坡莫合金和非晶態(tài)合金。


圖1為本實用新型的電路原理圖。
1、輸入整流電路(1)為普通整流電路開關SW閉合時，交流電壓Uin經(jīng)保險絲F1再經(jīng)整流橋堆B1后在C2上變成單向脈動直流電壓Uc2，C1和C2用于濾除高頻噪聲。
2、中間能量控制電路(2)由L1、L2、C15、C16、D2和TR4以及高頻脈寬控制電路組成，其作用使C16兩端得到幅值穩(wěn)定的電壓Uc16，Uc16的波形與C2兩端的電壓Uc2波形相似，只是方向相反。
高頻脈寬控制電路由IC1和它相聯(lián)的附屬元件以及反饋電路組成，反饋電路則由光電耦合器OPT及其附屬元件組成。
下面說明中間能量控制電路(2)的穩(wěn)壓原理接通電源瞬間，高頻脈寬控制電路中的電容C6充電，同時IC1的9、10腳輸出占空比(每個周期高電平與低電平的比值)由小逐漸變大的頻率約為50KHz的矩形脈沖，電路進入穩(wěn)態(tài)后，該矩形脈沖占空比則受來自反饋電路信號的控制，該高頻矩形脈沖使TR4處于開關狀態(tài)，這種開關狀態(tài)使得能量在L1、C15、L2、D2和C16中傳送。
假如某一時刻Uc16的電壓幅值增大，則反饋電路的作用使IC1的1腳電壓升高，其結果使矩形脈沖的占空比減小，其結果使TR4的通斷比值減小(相當于導通角減小)，其結果使L1傳送到LZ的能量減少，其結果使Uc16的電壓有所回落，于是達到了Uc16的穩(wěn)壓目的。
IC1的振蕩頻率即TL494的腳9、10輸出脈沖的頻率由Rr、Cr決定，即f≈ 1.1/(RTCT)若取Rr＝10K、Cr＝2200P，則代入上式可得f＝50KHzR5、R6用于控制死區(qū)時間，4腳的電壓越高則死區(qū)時間越長，按圖1中所示參數(shù)，則死區(qū)時間Dr約為7μs，因此，最大導通時間為τ=13μs如果要求輸出電壓值為Uo2則Uin的最小值為Uin(min)＝ (T－τ)/(τ) Uo
當Uo＝220v時，把τ＝13μs代入上式得Uin(min)＝118v即當Uin低于118v時，Uo就達不到220v。
C6是軟啟動電容，使開機瞬間，4腳電位從5v慢慢下降，從而使Ton由小逐漸變大，減小TR4的大電流沖擊，沒有C6，開機時TR4毀壞的概率增大。
12V直流供電的雙刀雙擲觸點的繼電器J用于供電切換。當開機瞬間，T2的初級接輸入Uin，當輸出電壓建立后，TL494的1腳電壓已上升到2.5V時，TR1導通，J吸合，觸點從圖1中的常閉位置(即1－1和2－1)接到常開位置(即1－2和2－2)，于是T2的初級接到穩(wěn)壓器輸出端，這樣的好處是使T2上的電壓穩(wěn)定，同時其本身也可以作為輸出端的假負載，使電感L2、L3有維持電流，避免了空載時的不穩(wěn)定。
3、解調(diào)電路(3)的作用是把脈動直流電壓Uc16變換成與穩(wěn)壓器輸入同頻率的交流電壓，從而得穩(wěn)壓器的最后輸出電壓Uo，由于Uo來源于Uc16，所以其電壓幅值也是穩(wěn)定的。
解調(diào)電路由TR8、TR9、TR10、TR11組成的橋式電子開關和驅動電路構成，驅動電路則由TR5、TR6、TR7、雙比較器LM393及耦合變壓器T1等組成。
來自Uin的電信號R12、R13分壓后輸入比較器的同相輸入端，即可在T1的初級T1A上得到與Uin同頻同相的方波，此方波耦合到T1的次級繞組T1B、T1C、T1D、T1E控制TR8、TR9、TR10、TR11各管的通斷。若此方波的正半周使TR8和TR11飽和導通，負半周使TR9和TR10飽和導通，則C19兩端的電壓再經(jīng)L3、C18濾波器后就可得到與Uin相似的波形，若此方波的正半周使TR9和TR10飽和導通，負半周使TR8和TR11飽和導通，C18上同樣得到與Uin性質(zhì)相似的波形，只是方向相反而已。在四個開關管的C、E極還反向并聯(lián)了二極管，用于保護TR8、TR9、TR10、TR11免受反向電壓的沖擊，C13主要用于調(diào)節(jié)解調(diào)方波的相移，使方波的上升和下降沿正好處于Uc16的谷值點，從而使最后輸出波形最光滑，失真度最小(相對于輸入Uin而言)，C14是隔直電容，C19、L3、C18為∏型濾波器，用于濾除無用的諧波成份。S1和S2為交流穩(wěn)壓器的輸出端。
下面以輸出功率為500W，輸出電壓為220v(有效值)，輸入電壓為145V－300V(有效值)之間變化的交流穩(wěn)壓器為例來說明本交流穩(wěn)壓器的設計過程
①選擇輸入整流電路(1)的整流橋堆B1，要求其耐壓在600伏以上，其電流按每100瓦1.5安培選取。
②根據(jù)視在功率(設計容量)確定電感L1和L2鐵芯的大小，由于鐵芯工作在磁滯曲線的第一象限，所以要求選用飽和磁感應強度較高的高頻磁性材料，然后確定繞組的匝數(shù)和線徑。
鐵芯尺寸由下式?jīng)Q定。
ScSo＝ (2PTton)/(ΔBjKcKo) (cm)4式中Sc為鐵芯截面積(cm)2So為鐵芯窗口面積(cm)2Pr為功率(W)ton為TR4在一個周期內(nèi)的最大導通時間(μs)ΔB＝Bm－Br為磁感應強度(高斯)Kc為鐵芯占空系數(shù)，鐵氧體為1Ko為銅線在鐵芯窗口中的占空系數(shù)，取0.2－0.5按照圖1中所示，取Pr＝500W，ton＝13μs，鐵芯為MX－2000鐵氧體，則ΔB＝1500高斯，于是ScSo＝ (2×500×13)/(1500×2.5×0.3) ＝11.5(cm)4取Sc＝2.0×1.7(cm)2So＝1.1×3.8(cm)2的EE型鐵芯，則ScSo＝14.2(cm)4即可滿足要求(由于實際變壓器并非理想的，所以實際值比理論值要大些)。
為了防止磁芯飽和，磁芯間應加δ＝0.1－0.5mm左右的空氣隙繞組線徑由下式計算d=0.7I]]>式中，I為流過繞組的平均電流當Uin＝145V即下限值時，電感L1中的平均電流為I1＝ 500/145 ＝3.45(A)于是d1＝0.73.45]]>＝1.3(mm)為L1的線徑，同理對L2其線徑為d2＝1.1(mm)由于L1、L2兩者相差不大，繞制時可都取L1值。
繞組最少匝數(shù)為Np＝ (100Eton)/(ΔBSc)式中E為輸入電壓Uin的最大峰值按圖1的要求，則可得Np＝ (100×424×13)/(1500×3.4)≈108(T)為了提高鐵芯的利用率，把L1、L2以相同的匝數(shù)繞在同一鐵芯上，這樣做還可以使L1和L2緊耦合，從而使輸出紋波最小，鐵芯材料可用鐵氧體，用坡莫合金和非晶態(tài)合金效果更好，但價格昂貴。
為了減小趨膚效應，應采用多根細漆包線并成一股，使合成直徑為1.3mm以上，每股中的線越多而細，效果越好，對于500W，每股用10根φ0.17的漆包線繞成即可。然后雙股并繞在同一骨架上，一股為L1，一股為L2。匝數(shù)要多于108匝，且盡可能繞滿骨架，因為匝數(shù)越多，輸出越平穩(wěn)，也可以把L1、L2繞在不同的鐵芯上，但干擾會大些，此外，如果把圖1中的L1和L2的任何一個的兩端換位連接(即同名端和異名端換位)也能工作，但穩(wěn)定性差些。
③開關管TR4的選擇TR4的耐壓UDM必須大于輸入電壓Uin的最大峰值與輸出端峰值之和。假設Uin上限為300V(有效值)的正弦波，則輸入電壓峰值為424V，如果輸出為220V(有效值)，則輸出峰值310V，于是TR4的耐壓UDM為UDM>310＋424＝734V考慮到各種沖擊的干擾，則TR4的耐壓應在800V以上。
當TR4為場效應管時，其漏極接A點，源極接N點；由于場效應管導通電阻較大，為減小發(fā)熱，要求其漏極電流極限值為電感L1中平均電流的5－6倍。當單管不能滿足要求時，可選擇幾個管并聯(lián)來滿足要求。對于500W而言，由于L1中最大平均電流I＝3.45A，所以，TR4的漏極電流要求在20A以上，可使用3個型號為2SK1357(其UDM為1Kv，漏極電流為8A)的場效應管并聯(lián)。TR4也可以是晶體三極管或IGBT管子，不過其工作頻率要低些。這時其極電極接A點，發(fā)射極接N點。此外如果用晶體三極管時還得在其基極串限流電阻。
④開關二極管D2應采用快恢復二極管，其耐壓要求與TR4相當，不過因二極管的PN結導通電阻比場效應管小，因此其允許電流值為TR4中流過的最大電流的一半即可，對于500W可取10A以上。如MUR3080二極管，其最大電流為30A，耐壓為800伏。
⑤中間能量控制電路(2)中的C15的選擇會影響輸出波形，以輸入Uin為正弦波為例，若C15太大，則輸出Uo接近圓頂方波，C15太小，則輸出Uo接近于正弦脈沖。對500W選用0.1μF左右為宜，對于不同功率的最佳值由實驗來定。C16在保證穩(wěn)壓器能穩(wěn)定工作的前提下應取盡可能小的值。
⑥解調(diào)電路中的橋式開關管TR8、TR9、TR10、TR11的最大集電極電流要求為輸出電流平均值的3倍以上，耐壓不小于400V，對于500W，取達林頓管(如BU931)比較好，要求4個管子的參數(shù)盡可能一致以減小輸出的直流漂移。二極管D3、D4、D5、D6可取普通的二極管如1N4007即可，要求耐壓大于400v。電阻R15、R16、R17、R18為基極限流電阻，其阻值約為24歐姆。
⑦電感L3用φ1.1以上的漆包線在3W的電源變壓器鐵芯上繞滿即可。電容C18為1μF－2μF左右即可，C18和C19的耐壓要求在400v以上。
⑧耦合變壓器可在3W的電源變壓器鐵芯上用φ0.21的漆包線繞350匝左右作為初級，次級仍用φ0.21的漆包線繞四個獨立的繞組，每組為200匝左右，輸出繞組對應的同名端如圖1所示，千萬不能弄錯。
⑨變壓器T2為5W的電源變壓器，要求其在穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓范圍內(nèi)均能正常工作。
如果電源變壓器T2用5W的高磁導率矽鋼片，其初級用φ0.9的漆包線繞3000匝左右，次級260匝輸出提供12V直流用電，雙130匝輸出提供正負5V直流用電，則穩(wěn)壓器Uin在輸入電壓為145V－300V之間變化時均能正常工作。
本實用新型和現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點它是基于古卡(CUK)直流變換原理而研制成功的一種脈寬調(diào)制型交流穩(wěn)壓器，不僅拋棄了交流穩(wěn)壓器中普遍使用的笨重的大功率工頻變壓器，而且具有穩(wěn)壓范圍寬、價格低廉等優(yōu)點。本實用新型用于不間斷電源(UPS)特別是在線式UPS中具有巨大的經(jīng)濟效益，并使UPS拋棄大功率工頻變壓器成為可能，也使交流穩(wěn)壓器實現(xiàn)可編程輸出成為可能［中間能量控制電路(2)中的電位器W1取不同的值對應穩(wěn)壓器的不同輸出］。
本實用新型還是一種高抗干擾的凈化電源，由圖1可見，輸入電流經(jīng)過L1才能到達輸出端，L1對來自輸入的高頻浪涌電流造成很大的感抗，此外，TR4導通時把輸入噪聲短路，而斷開時D2把輸入噪聲短路。使得整個周期內(nèi)輸入噪聲都無法到達輸出端，進一步減小了輸入噪聲的干擾。
權利要求1.一種無大功率工頻變壓器的交流穩(wěn)壓器，由輸入整流電路(1)、中間能量控制電路(2)和解調(diào)電路(3)組成，其特征在于中間能量控制電路(2)由L1、L2、C15、C16、D2和TR4以及高頻脈寬控制電路組成，C15的一端與電感L1的一端相連于A點，另一端與電感L2的一端相連于B點，L1的另一端與輸入整流電路電位較高的一端相連于P點，L2的另一端則與解調(diào)電路電位較低端連于M點。開關管TR4的一個極接A點，另一個極接輸入整流電路電位較低端N點，二極管D2的陽極與B點相連，陰極與N點相連，在M點與N點之間接有電容C16，N點也接解調(diào)電路(3)的電位較高的一端。
2.根據(jù)權利要求1所述的無大功率工頻變壓器的交流穩(wěn)壓器，其特征在于電感L1和LZ的鐵芯材料為鐵氧體，也可以是坡莫合金和非晶態(tài)合金。
專利摘要一種無大功率工頻變壓器的交流穩(wěn)壓器，由輸入整流電路、中間能量控制電路和解調(diào)電路組成，中間能量控制電路由L1、L2、C15、C16、D2和TR4以及高頻脈寬控制電路組成。不僅拋棄了穩(wěn)壓器中普遍使用的笨重的大功率工頻變壓器，而且具有穩(wěn)壓范圍寬、價格低廉等優(yōu)點。本實用新型用于不間斷電源(UPS)特別是在線式UPS中具有巨大的經(jīng)濟效益，并使UPS拋棄大功率工頻變壓器成為可能，也使交流穩(wěn)壓器實現(xiàn)可編程輸出成為可能。
文檔編號G05F1/10GK2205023SQ94221918
公開日1995年8月9日 申請日期1994年9月15日 優(yōu)先權日1994年9月15日
發(fā)明者粟桂息 申請人:粟桂息, 李海懷