如果你想獲得一台理想的電源供應器,愛韻社夏先生這套設計,無疑的將是你最佳的選擇;甚至這篇文章也非常值得你細讀!
──編者
筆者寫電源供應器之原意,只是想提供讀者一個方便、安全、易做而實用的電路。因為在當時看來,它的確相當理想的,起碼在電路的動作分析上比較簡單而易讓人明白,另一方面它又具備了高水準電源供應器的一切性能,因此在設計完成之後就興緻勃勃的提供給讀者們。
或許是我筆拙的關係,本來是一個很簡單的電路,卻寫得摸不著邊際,以致讓許多讀者們不明所以然,於是提出了奇奇怪怪的問題!沒想到這個給人(學電的學生)把玩的工具,竟然也會讓人難以捉摸?!幾乎一半以上的讀者甚至弄不清「換檔」的用意,而對電源的構成,如何調節限流,乃至表頭的內部結構等,更是不具概念。筆者以為這是大多數讀者所能接觸到的電源供應器,性能上較簡單,加之市面上出售之產品也多屬此類型,因而一旦要製作一部性能較完備的電路,反而有不知如何下手的感覺。
回想筆者自玩電以來即是用自製的電源供應器,前前後後也不知更換了多少電路,對於那些放在實驗室中的市售成品,反倒是甚少摸它,因此對自己的東西可能有過多的「想當然爾」,甚至於許多功能上的設計也完全是憑著自己的想法予以完成的。認真檢討,筆者所能獲得此方面資料實在有限,而此電路正如前期文章命名一樣,是為簡易套件,在沒有經過比較的情況下(但做過測試)就冒然推介給讀者,的確是一件很冒險的事,不過今天會有信心,也完全是建立於天天用它以及一些測得出來的數據。正是因為習慣了用它,因此才會看它十分理所當然,所以在撰寫文稿時,就很少介紹使用方法及一些基本觀念。於是乎一旦讀者遇到不能解決的問題,筆者便成了埋怨的對象。
「交代不清」固然是筆者的疏忽,但是對於玩電者所應具有的基本知識,像是V=IR之類的事也要交代,實有藐視讀者的感覺。而事實上筆者卻常碰到這些擾人的問題,如未加負載自然沒有電流輸出,於是旋動電流旋鈕,當然看不到任何電流變化,正向輸出的電路卻加入負電壓,想得到負壓輸出,以致白白的燒掉了一大堆晶體,甚至85伏的供電壓卻用75伏耐壓的電容來濾波,諸如此類事情發展的最後結果是:讀者懷疑筆者在電路上留了一手,豈不讓人感到太冤枉!
唐凌關鍵性的意見
所謂:「不平則鳴」,受冤之後很想再提筆說它一說,但又怕自己不成熟之拙作一再大書特書,會造成笑柄,其後接到唐老編的來電告知部分改進的意見,是希望能完成系統化設計的電源供應器電路。不過當時筆者工作甚為繁重,是以未竟其功,乃拖至此時。如今想來唐老編那麼好的構想,卻讓筆者的私事給擱置,對讀者而言,真是一大損失!若筆者不再有個明顯交代實在有負大家的期望。
唐老編的意見主要是針對電源供應器的應用方式上的改進,在不改變主電路的情況下很技巧的將操作系統化,更將整個電路的結構合理的精確化了。畢竟是玩電的前輩!隨便幾句「畫龍點睛」似的指點便給電路點翻了身,使筆者「茅塞」頓開解決了長久以來的頭痛問題。
圖一即為整個電路之新架構,它的不同處甚多,許多地方是因筆者事後再研究後而加入,大致上仍可以運用舊電路板加以修正,對於一些已經裝過的讀者仍不失為佳音。
其改進的要點為①電壓表多量程之自動換檔,②限流之預置及同步切換表頭量程,③電壓微調,④電流微調,⑤過荷或限流產生之自動指示,⑥DC ON之指示。
電壓表量程之自動切換
在前次的電路中,輸入電壓是分成高、中、低三段,經由繼電器選擇其中一電壓,而後整流再進入電路中,其目的是提高電源供應器的使用效率,不使太多的熱消耗在電路本身,如此一來散熱片的面積也無須太大。至於換檔的方式,則是將輸出電壓分壓後再控制一個開關晶體,以驅動繼電器,因此分壓的比值可以任意改變,而選定換檔電壓亦可隨意調整,此種方式的換檔比手動換檔是要方便得多,而且所費金錢不多。大體上來說,含有自動換檔的電源供應器,其輸出電壓電流都較大,雖可以利用換檔的方式取得較高效率的輸出,但卻無法在表頭的指示方式上獲得較精確的指認,而且愈是輸出愈大的電路,此方面的缺陷也愈大,因為表頭內的量程是一定的,一但需要在有限的距離內容納更高的量程,其精確度自然降低,此種情形在需要比較精確的低電壓值,如5伏或振盪電路之供電壓上尤其難以辨認。一般的作法:是做一個開關來預先選定表頭上的量程,不過此種方式十分不方便,而且易造成表頭過荷的現象,筆者為了解決此一問題,還特別設計了一個簡易式數字表頭,其精確度在0.1V以內,不過造價上仍比指針式表頭貴了一倍多,是以並未推出,僅供自己參考用。
唐老編認為在繼電器上動點腦筋可以將此問題得到一個合理的解決,其方法是在換檔的同時也切換表頭的量程,如此一來,當電路工作於低電壓時,表頭的滿度量程也正和低電壓值配合,當然其精確度也就大為提高;同時不論在任何狀況下,都不發生過度指示的現象,可說這是十分技巧的運用繼電器。當然,原電路所應用的單刀繼電器,也就需更改為参刀式的了。
由於自動換檔並沒有一個明確的指示方式來表示表頭的工作區,很可能會發生辨認錯誤的現象,於是在換檔之同時也切換指示燈以標明工作區,因而繼電器則需改為通用的四刀式,此種繼電器工作電流很大,應用本電路十分適合。
表頭之量程選定,曾令筆者考慮甚久,那是因為要配合繼電器的換檔電壓,同時也須兼顧量程是否合宜,原電路是設在18、38伏時切換電壓,換句話說,它的量程可以定為18、38及75V(最大輸出)。但這並不是一個很合理的數字,因為在劃分等分上非常困難,尤其在小小的表面上要容納三種不同的刻劃,是十分不易的事,因此筆者衡量熱消耗之差距,而將量程改為倍數式的差距──20、40及80伏,如圖二。
讀者可以很明顯的看出在20伏的量程內,其精確度十分高,不過在熱消耗的差距上,由於僅能做兩檔的切換工作,於較高的電壓下反而會有較多的熱產生:[(82-40)×5=210W],唯此種情形並不常見,那是因為高電壓大電流下的工作機會較少之故,筆者考慮短路的機會較多:(28×5=140W)是不宜將最低輸入電壓提得太高,以免短路時很快就燒毀。如此一來換檔電壓就改為20及40V,而變壓器之次級線圈也同時改為0、20、40、58伏,以配合需要。
電壓微調之設立
筆者在設計數字式電表時,希望取得不同之基準電壓用以於校準用,但發現單靠一個粗調電壓來取得所需之值時,十分困難,有時需要調整很久方能找出定點,因此有設立微調電壓之必要。其微調方式十分簡單僅需將誤差檢出電路中之分壓比,予以改變即可,亦即加入一可變電阻,做為分壓比控制鈕,如調定可調範圍為百分之廿,那麼在5伏上下即有一伏之調整能力,而於60伏時可調10伏,這樣的設計對精確的調校甚為有利。
限流之預設及同步切換表頭量程
原電路中限流調整也是採用一個可變電阻做粗調用,其缺點和電壓調整鈕一樣,無法做較精細的設定,尤其是在低電流時,其線性的程度大有問題,更何況單一量程的表頭,用肉眼幾乎無法分辨出50mA之內的差距,而在面板上也很難印上一個肯定的刻劃,這樣的方式在低電流預置電流時十分不理想,因此如果以預先在較大的範圍之內設定,如200mA、600mA、2A、6A等,這樣一來即能預先肯定一個數值,同時亦切換表頭之量程使之配合此數值,再設法調整電流。這樣的方式十分合乎操作需要,很幸運的是本電路因係採用分壓比方式來調節電流大小(說明見48期內文),因而只要將限流半可調電阻多設立幾個即能設出如上述之最大電流點,不過考慮在200mA時,相對於調整電流的可變電阻的半可變電阻,其阻值十分大,其分壓比雖可達到預期目標,但卻無法供應足夠的偏流,致使保護晶體無法工作,因而新電路中將限流可變電阻改為5K,此可變電阻即形成在特定電流內之微調裝置,對於精確的電流調整是十分方便的!
過荷或限流產生之自動指示
筆者曾以此電路為藍本為某工廠之特別需要而安裝了一批150V 3A電源供應器,其中最重要的一項是短路或限流產生時必須以燈光指示出來,此種只是設計能夠提高待測物的安全感,對於一些微小電流差異的監視十分有效。筆者最初的構想是由保護電路之極點引出導線,輸入一個放大器,再驅動LED,此種方式固然可達到目的,但卻會發生半導通狀態下LED亮滅不明的缺點,尤其保護管之起動點必須和LED發亮點取得一致之動作甚為困難,如加串LED於保護管之集極上又會產生固定0.6V的壓降而導致限流無法低於500mA,幸好本電路之誤差放大器為正負電源工作的線性IC,在此處為電壓比較用。換句話說正常工作下,而保護電路起動時,負輸入值即會大的正輸入值,因而IC之輸出呈現負輸出,因此只要將LED逆向串於輸出與地之間即可發光,而此種設計是絕對的快速有效,因為它只有全亮或不亮的兩種反應,毫無拖泥帶水的感覺。
DC ON 之指示
DC ON 在有些電源供應器上亦稱LOAD,即加上負載之意,這個開關在電源供應器的操作系統上最具實用價值,一個沒有輸出控制的電路,在應用上十分不便,多數簡單型的電路皆依賴電源開關或直接加上負載以完成供電動作,因此必須先將電壓調至定位,關掉電源後再接上導線,而後再開電源,這些複雜的動作無疑的是十分不合邏輯,況且某些電路於開機瞬間之脈衝所產生的大電壓輸出對許多電路會造成損壞,若是待測電路有問題,就更難在那一瞬間了解狀況,至於直接加電入待測物上更是讓人心驚肉跳,所以筆者始終堅信負載開關有絕對之必要。
但使用此開關時更應配合燈光指示方能確知其動作狀態,畢竟指壓法或指撥法的開關都不會比燈光指示來得更明確,不過此類型的大電流開關甚少是多刀切換式的,以單電源而言,如需加裝燈光指示則開關至少應有兩刀以上,雙電源為三刀以上,採用繼電器固然是很好的方法,唯價錢過高且耗電大,因此筆者利用開關ON時的另一Off點來控制LED之發光用(見圖三),如此可以將兩種功能並合而為一,是為比較經濟而有效的作法。
以上是新電路的功能解說,至於元件之選用及本電路的應用法在前期文章中並未詳細說明,因而讀者在此方面的問題也特別多,是以再分別予以討論。
變壓器的規格
原電路是以5A60V為本電路之最大輸出規格,定這樣規格的原因是考慮一般測試用的需要,當然一部3A50V的電源供應器也相當好用,不過面對當今快速發展的電子技術,在許多場合中會讓人有捉襟見肘之感,就以最通見的音響而言,百來瓦的功率早已司空見慣,如果在裝置時能稍加破費,日後當不致後悔,而另一方面筆者所能定製到的最大規格電容是一萬μF85伏耐壓,考慮這些元件的規格而定出電路的規格。
所以變壓器之最大次級電壓為58伏,整個繞組情況見圖四,毫無疑問的變壓器為電源供應器電力的主要來源,它常工作於大電流之下,一個品質不佳的變壓器是絕無法做出好東西的,所以讀者自行繞製時應特別注意其規格是否合標準。
雙電源的變壓器恰為兩個相同單電源變壓器的組合(見圖五),因為本電路只能工作於正性電壓,所以雙電源供應器為完全相同的兩組單電源結合在一起,當然也可以完全獨立的工作,這樣的變壓器實在大的驚人。
如讀者希望採用較小功率輸出的電源供應器,如3A50V,則變壓器之繞組可改為43、32、16、0V/3.5A,切換點亦可改為16及30V,濾波電容有4700μ/63V即可,而功率管採用一般之2N3055或舊晶體兩個亦足應付。
表頭之規格
整個電源供應器中令筆者頭痛的就是表頭,因為讀者要求的電壓電流種類不一,如果每種都定製一些實為財力所不允許,所以僅能就一般主要用途而定製,除了上述兩種規格外還定製了3A(200mA、1A及3A)表頭,60伏(20、30、及60)表頭,以及3A 60伏電壓電流複合表。
電壓電流複合表是專為僅有兩個表頭孔座的簡單型雙電源機箱用,筆者並不十分贊成此種方式的表頭,因為事實上在表頭上所能節省的錢可能會被複雜的開關電路及日後永久的操作不便所掩蓋,更由於它已經是電流電壓的複合量程,實在很難再將電表內的量程像上述表頭一樣分成多段式,因而本電路的優異操作特性也就無法完成,所以筆者也設計了一批四表頭式的雙電源機箱,如此一來表頭即可和單電源表頭通用,免去再製版的麻煩,對於習慣用兩表頭雙電源供應器的讀者,筆者依然準備了一批3A50V的複合表,其內部結構及外接線如圖六,有些市售複合表僅有三個接點,這樣方式的表頭需要的開關接點電流很大,至少和開關一樣大,因為在選擇電壓或電流時會有一瞬間讓輸出斷路之故,對開關或待測物而言都不好,所以不予採用。
以上各款式的表頭造價都十分高,尤其是電流複合量程表,其校準手續繁複,單是校正的工錢即高出普通表頭近百元之譜,不過為了日後永久的方便,這些許的錢還是值得的!
機箱的打製
由於本電路的功能十分齊全,加以電流電壓都很大,一般市售機箱(無印刷之空箱)中很難找到合用的,所以只有付諸生產打造之一途,否則空有電路而無安身之所亦非良策,機箱分單電源及雙電源兩種,雙電源為四表頭式,預計四月初可完成此項工作。
一般之應用法
由於本電路之保護部份採用了比較特殊的固定偏壓法,它不僅動作快速,而且可以做到了3mA的最低限流值,更由於它的線性調整能力使得選擇限流定點十分方便,於是對於幾乎大部分的待測物都可以用它來解決問題,舉幾個實用例子來說明。
測試穩壓二極體之崩潰電壓,只要將限流至最小(3mA),電壓由0V起調整,直到電壓不再上升時,此時之電壓值即為穩壓二極體的崩潰電壓,不過於限流最小時,由於繼電器驅動電路之輸入負載及電流表頭分流負載的緣故,可能電壓無法調至最大值,此時略增限流值即可。
測試大功率管或中功率管的耐壓,其方法和測試二極體相同,僅需將電壓加到CE極上即可,但須注意,所謂VCEO是指B極開路狀態下,Ic等於1mA時之耐壓值,由於本電路最小限流值為3mA,因此所測得的電壓應乘以0.8方近於正確值,但此方法於測試小晶體時無效,因小晶體耐流太小而易燒毀之故。如需測試高耐壓晶體(150V),需將兩部單電源或一部雙電源串接在一起,則其測試範圍可達160V之譜。
上述兩種的測試應注意極性及接腳,錯誤的接法僅能測出0.6V的逆向電壓,如讀者是使用一部雙電源或兩部單電源,更可以進行晶體定點大電流放大率之測試,其方法是將兩部電源之地線接在一起而後將電壓分別加入BC極,此為測試NPN管之接法,PNP則為正電壓接在一起再將0V分別輸入BC極,此時B極的定點電流即為IB,調整Ic之電壓電流即可看出其放大率,不過此種方法十分危險,因為稍大的電流或電壓即可造成晶體崩潰,如加入集極之電壓為20V,電流為1A則有20W之耗熱,如沒有適當之散熱處理,數秒鐘之內即燒燬!
串並聯的問題
電瓶之充電或是電解電鍍之供電用,應事先知道電瓶之容量(安培一小時)或所需之電壓電流大小,將電流預先設定於固定值,再將電壓旋至比所須之值更大,以此電壓加入電路,保護管會導通而限流產生,其電流即維持於一定值,而電壓亦無法超過待測物之最大電壓,構成一恆流源,如需更大之電壓、電流,可使用兩部單電源並聯使用。
對大多數的讀者而言,串聯使用本電路的機會相當多,而並聯則較少,不過有時會發生將電壓加入已有更高電壓之待測物上,此時會和並聯的情形相同,即逆向電壓之輸入燒毀電路,因此筆者在電路之輸出端加上了一個二極體(5A以上),其後再接上表頭電路,此方法可以免除逆向電壓之輸入,同時也可以利用現成之表頭量取其他電路之電流電壓。
價格上的難題
筆者自開始設計電源供應器以來即備受所謂價格上的壓力,由於生產它實在很難獲得一個合理的利潤,但又對於市面上一些種種偏差的觀念及作法無法釋懷,所以一再的重蹈覆轍去生產它,總希望能以一個玩電近於發狂的熱心把自己的看法和作法向讀者做個交代,至少讓它有個合理的系統,並非只要是電源供應器就只是純電壓電流之輸出而已,這種一成不變的作法豈僅是你我所能長久接受的呢!
很明顯的,這部電源供應器的完成是絕不可能像過去在坊間所能買到的簡單套件一樣的低價,這包含品質與技術,研究開發及金錢等多方面的價值,更不可能以單一料件的價格來衡量它,筆者所希望強調的是以製作儀器的精神來完成此項工作,而非純勞力式的輸出低品質產品,當初筆者對它有興趣也是基於對一些套件的粗陋,市售高品質成品的驚人價格(以此部而言,單電源起碼一萬五,雙電源近兩萬,而進口貨更兩倍於此)看不過去而設計它,筆者很願意告知讀者每一個零件的用途,如何設計它、裝製它、使用它,甚至如何以舊料取代也是筆者所願的。
換句話說,我們可以公佈每一項我們所確認的知識,藉此而能促進大家在此方面的認識,更希望能獲得廣大讀者之認同,事實上也唯有購買者的水準不斷提高的前題下才能刺激生產者的研究慾望,但是一旦市場上若成了廉價知識販賣場,相信誰也不願對它投以更大的信心。
筆者以為像笙隆、電子眼等廠家,其產品能達到一定的水準,其研究與開發所耗的『才力』恐怕遠超過這個市場所能給予它的,在這個有限的狹窄市場中,能投以如此大的信心的廠家又有幾許,我們既要求廠家產品的水準,又同時要求知識的廉價輸出是不合情理的!
對在校同學之作法
筆者所收到的來信中,在校同學幾乎佔了百分之八十,大家都希望能以此製作當作一次對學校的習作,然而在經費有限的狀況下,希望和筆者打商量,不過正如前述筆者也有甚多的不得已,所以考慮再三,敝社願意以另一種方式來達成大家對它一試的希望,即是另行生產較簡單的電路(架構相同),而輸出能維持3A50V上下的工作能力,使同學們不致在經費無著落的狀況下失去實習的機會,但希望能以團體購買的方式進行,那麼在價格與發送上才比較容易處理。
筆者很感激唐老編對此產品的關注與意見,使得它能向前又邁進了一大步,同時也對於一些廠家學校的主動惠予採用而產生莫大的信心,對於學生讀者群的來函所抱予的關切更是筆者始料未及的!但願這是一個好的開端。
對已購用舊電路之做法
原電路事實上已經十分不錯,如買者仍有意修正部分電路,可參照電路圖逐一更改,其過程十分簡單,但自動換檔或表頭部份乃至機箱就無法修改了,因此只有改用新機箱新表頭之一途,而電路板部分則隨機箱附送,其中絕大部分之零件可完全由舊電路板上拆下換用,只有繼電器須更換為四刀式,這個繼電器在賣舊電料行很容易買到。
轉載音響技術第52期APR. 1980 再談電源供應器之製作/夏海蔭
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