直流穩壓電源的工作原理、應用及前景

　　一、直流穩壓電源的工作原理

　　直流穩壓電源是一種將220V工頻交流電轉換成穩壓輸出的直流電壓的裝置，它需要經過變壓、整流、濾波、日本NF儀器穩壓四個環節才能完成。

　　四個環節的工作原理如下：

　　(1)電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，並送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。

　　(2)整流濾波電路：整流電路將交流電壓U直流微歐姆計i變換成直流電源供應器脈動的直流電壓。再經濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓U1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。

　　(3)濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓各濾波電容C滿足RL-C=(3~5)T/2，或中T為輸入交流信號周期，RL為整流濾波電路的等效負載電阻。

　　(4)穩壓電路：穩壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩定，不隨交流電網電壓和負載的變化而變化。常用的集成穩壓器有固定式三端穩壓器與可調式三端穩壓器。常用可調式正壓集成穩壓器有CW317(LM317)系列，它們的輸出電壓從1、25V-37伏可調，最簡的電路外接元件只需一個固定電阻和一只電位器。其芯片內有過渡、過熱和安全工作區保護，最大輸出電流為1、5A。其典型電路如下圖，其中電阻R1與電位器R2組成輸出電壓調節器，輸出電壓Uo的表達式為：Uo=1、25(1+R2/R1)式中R1一般取120-240歐姆，輸出端與調整端的壓差為穩壓器的基准電壓(典型值為1、25V)。

　　二、直流穩壓電源的應用

　　直流穩壓電源是電子交流電源供應器技術領域不可缺少的設備，常見的直流穩壓電源，大都采用串聯式反饋式穩壓原理，通過調整輸出端取樣電阻支路中的電位器來調整輸出電壓。由於電位器阻值變化的非線性和調整範圍窄，使普通直流穩壓電源難以實現輸出電壓的精確調整。

　　三、直流穩壓電源的前景

　　近幾年隨著科技的發展，直流穩壓電源的工作頻電池測試儀率有原來的幾十千赫發展到現在的幾百千，但是和西方的發達國家還是有一定的差距；以美國為首的幾個發達國家在這方面的研究已經轉向高頻下電源的拓撲理論、工作原理、建模分析等等方面技術領先；因此，直流穩壓電源的研制及應用在此方面與之也從在很大的差距

直流穩壓電源制作

　　直流穩壓電源的設計一般包括變壓、整流、濾波、穩壓四個基本環節。為了提高電源的質量及其可靠性，需對電源輸出電壓進行采樣、比較、放大，電池測試儀並用此誤差放大信號來調節其輸入電壓，使得負載變化時輸出電壓保持穩定。

　　此外，為了提高電源的使用安全性能，需設計簡單可靠的過壓過流保護電路，防止電壓電流過大時損壞負載元件。以下將從電源主電路、控制電路、保護電路設計等3個方面簡要介紹直流穩壓電源的制作方法。

　　A、主電路設計

　　主電路部分設計主要包括電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路設計。變壓器把高壓交流電變為所需要的低壓交流電；整流器把交流電變為脈動直流電；濾波器濾除直流中的交流成分；穩壓器把波動較大的直流電壓變為穩定的直流電壓輸出。

　　變壓器的工直流微歐姆計作原理是基於電磁感應定律進行電壓、電流、阻抗變換。在直流穩壓電源設計中，電源變壓器一般是將單相工頻交流220V電壓轉換成電壓較低的交流電以滿足後續電路的需要。根據電路所要求輸出的直流電壓和電流值來確定電源變壓器次邊的抽頭個數和各個抽頭應輸出的電壓和功率。此外，為了減小電源變壓器的體積和重量，宜選用高頻電源變壓器。

　　利用二極管的單向導電性將交流電壓變換為單向直流電源供應器的直流電壓稱之為整流。實際設計中應根據所制作電源要求的輸出精度和質量特性選擇合理的整流方式。

　　直流穩壓電源設計中一般利用電感、電容等儲能元件兩端電壓不能突變的特性對交流電壓進行濾波，從而交流電源供應器輸出波動較小的直流電。通過濾波輸出的直流電仍含有較多的交流成分，因此不能直接加在負載兩端，需對其進行穩壓。穩壓管反向擊穿時，在一定的電流範圍內表現出穩壓特性，因此可用來穩定直流輸出電壓。然而其電源穩定性較差，輸出精度較低，因此一般選用輸出穩定可靠的三端集成穩壓器，在滿足電源設計要求的前提下還可縮短設計周期、降低設計成本。

　　B、控制電路設計

　　僅有以上四個基本環節組成的穩壓電源帶載能力較差，當負載電流增大時輸出電壓會降低，不能滿足大多數電子元件工作的電源要求。一般通過閉環反饋控制和擴大輸出電流來提高電源性能。

　　為了保證電源的輸出電壓不會隨著負載的變化而變化，應使電源自身具有反饋調節能力。

　　當負載兩端電壓發生變化時，電阻網絡日本NF儀器的采樣電壓隨之改變，將此采樣的電壓值與給定的基准電壓進行比較，並將此微弱的誤差信號進行放大進而調節控制元件的工作狀態，從而調節負載兩端的電壓，使其保持穩定。控制元件應選用工作狀態可調節的元件，如三極管，其發射極電流會隨著基極電流的變化而改變，因此通過控制三極管基極的電壓即可調節三級管的導通程度，從而可調節電路的輸出電壓使其滿足要求。

直流電源系統七大組成部件

　　直流電源系統主要由兩大部份組成。一部份是電池屏另一部份是交流電源供應器直流充電屏。目前使用的電池主要是閥控式密封免維護鉛酸電池。直流屏主要是由機櫃、整流模塊系統、監控系統、絕緣監測單元、直流微歐姆計電池巡檢單元、開關量檢測單元、降壓單元及一系列的交流輸入、直流輸出、電壓顯示、電流顯示等配電單元。下面，我們分別來介紹下各個模塊的功能。

　　1、整流模塊系統

　　電力整流模塊就是把交流電整流成直流電的單機模塊，通常是以通過電流大小來標稱(如2A模塊、5A模塊、10A模塊、20A模塊等等)，按設計理念的不同也可以分為：風冷模塊、獨立風道模塊、自冷模塊、自能風冷模塊和自能自冷模塊。它可以多台並聯使用，實現了N1冗余。模塊輸出是110V、220V穩定可調的直流電壓。模塊自身有較為完善的各種保護功能如：輸入過壓保護、輸出過壓保護、輸出限流保護和輸出短路保護等。

　　2、監控系統

　　監控系統是整個直流系統的控制、管理核心，其主要任務是：對系統中各功能單元和蓄電池進行長期自動監測，獲取系統中的各種運行參數和狀態，根據測量數據及運行狀態及時進行處理，並以此為依據對系統進行控制，實現電源系統的全自動管理，保證其工作的連續性、可靠性和安全性。監控系統目前分為兩種：一種是按鍵型還有一種是觸摸屏型。監控系統提供人機界面，實現系統運行參數顯示，系統控制操作和系統參數設置。

　　3直流電源供應器、絕緣監測單元

　　直流電源系統絕緣監測單元是監視直流系統絕緣情況的一種裝置，可實時監測線路對地漏電阻，此數值可根據具體情況設定。當線路對地絕緣降低到設定值時，就會發出告警信號。直流系統絕緣監測單元目前有母線絕緣監測、支路絕緣監測。

　　4、電池巡檢單元

　　電池巡檢單元就是對蓄電池在線電壓情況巡環檢測的一種設備。可以實時檢測到每節蓄電池電壓的多少，當哪一節蓄電池電壓高過或低過設定時，就會發出告警信號，並能通過監控系統顯示出是哪一節蓄電池發生故障。電池巡檢單元一般能檢測2V-12V的蓄電池和巡環檢測1-108節蓄電池。

　　5、開關量檢測單元

　　開關量檢測單元是對開關量在線檢測及告警干節點輸出的一種設備。比如在整套系統中哪一路斷路器發生故障跳閘或者是哪路熔斷器熔斷後開關量檢測單元就會發出告警信號，並能通過監控系統顯示出是哪一路斷路器發生故障跳閘或者是哪路熔斷器熔斷。目前開關量檢測單元可以采集到1-108路開關量和多路無源干節點告警輸出。

　　6、降壓單元

　　降壓單元就是降壓穩壓設備，是合母電壓輸入降壓單元，降壓單元再輸出到控母，調節控母電壓在設定範圍內(110V或220V)。當合母電壓變化時，降壓單元自動調節，保證輸出電壓穩定。降壓單元也是以輸出電流的大小來標稱的。降壓單元目前有兩種，一種是有級降壓硅鏈，一種是無級降壓斬波。有級降壓硅鏈有5級降壓和七級降壓，電壓調節點都是3、5V，也就是說合母電壓升高或下降3、5V時降壓硅鏈就自動電池測試儀調節穩定控母電壓。無級降壓斬波就是一個降壓模塊，它比降壓硅鏈體積小，它沒有電壓調節點所以輸出電壓也比降壓硅鏈要穩定，還有過壓、過流、和電池過放電等功能。不過目前無級降壓斬日本NF儀器波技術還不是很成熟常發生故障，所以還是降壓硅鏈使用效廣泛。

　　7、配電單元

　　配電單元主要是直流屏中為實現交流輸入、直流輸出、電壓顯示、電流顯示等功能所使用的器件如：電源線、接線端子、交流斷路器、直流斷路器、接觸器、防雷器、分流器、熔斷器、轉換開關、按鈕開關、指示燈以及電流、電壓表等等。

各地直流電源轉換器發展

　　在過去的幾個月裡，由於電信業的推動，直流電源轉換器直流電源供應器供需先後出現了增長。但各家對直流微歐姆計價格趨勢意見不一。

　　在中國大陸，1999年的總市場需求為30億美元，預計到2004年將達到50億美元。現在市場的主導產品是小型和中型功率的直流電源轉換器，但制造商認為在未來幾年內高密度和低電壓產品將會成為主流。

　　在台灣，由於直流電源轉換器的不斷升級和新型號的推出，在市場需求和生產能力上也將出現大的增長。新推出的產品主要是為電信應用而設計的，具有小型和高效的特性。

　　在香港，大多數產品用於音頻設備，但生產商也在開發用於電信的器件。在設計上，重點在於安全特性、改進型產品。

　　在日本，為計交流電源供應器算機電池測試儀、通訊設備和便攜式信息直流電源轉換器設計的型號正廣日本NF儀器受歡迎。預計這一趨勢將會持續，各家正在努力開發節省空間、高效和低成本的型號。

　　印度的市場預期也會出現正增長。直流電源轉換器預計將集中在產業級的型號。

　　據以上可知，直流電源轉換器兩個發展方向：小型化；高效率。

直流電源多方面解析

　　直流電源是一種能使電路中形成恆定電流的裝置，直流電源有正負兩個電極，正極的電勢高，負極的電勢低；當兩個電極與電路連通後，直流微歐姆計直流電源能維持兩個電極之間的恆定電勢差，從而在外電路中形成由正極到負極的恆定電流。

　　直流電源的應用範圍：直流電源系統適用於大型發電廠、水電廠、超高壓變電站、無人值守變電站作為控制、信號、保護、自動重合閘操作、事故照明、直流油泵、，各種直流操作機構的分合閘，二次回路的儀表，自動化裝置的控制交流不停電電源等用電裝置的直流供電電源。

　　直流電源的單線直流電源供應器原理：直流電源由充電屏、饋線屏、蓄電池及直流電壓變換器四個單元組成。充電機屏由若干電源模塊和微機監控系統組成，單櫃(屏)最大配置160A，若需要更大的輸出電流可實現多機交流電源供應器櫃(屏)並聯。饋線屏配有微機絕緣在線監察裝置，當某一饋出支路發生接地事故時可顯示出某地支路編號及接地電阻。電池屏內可選配微機蓄電池巡檢電池測試儀裝置，隨時對蓄電池狀態進行監日本NF儀器控。直流電壓變送器可采用高頻直流變送器，當合閘母線在180-300V電壓變動時控制線母線的輸出電壓都能牢牢地穩定在220V。