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  在筆者的印象中,過去的數年裡,甚少看到電子刊物上介紹大型精密電源供應器之製作,或有也多是語焉不詳,資料不全,令製作者甚難理解,甚至還有在電路圖上動手腳,刊出一些根本行不通的電路讓不明就裡的人徒然浪費大筆心血,實為一件令人遺憾的事。

  而在另一方面,筆者接到許多讀者詢問電源供應器的來函,幾乎一致的看法是希望能有一部電流既大電壓又高的電源供應器,似乎現今的電子市場(起碼音響市場)是很難再以一部二、三十伏的東西就能應付得了,當然短路保護及穩壓特性也是大家所熱切關心的問題。

  因此筆者決定推出較大型的多功能電源供應器,由於它的穩壓特性甚佳,保護設計完善,加之簡潔的電路極適合自製者的仿製,所以在推出的同時也對此電路作一詳細的解說,並對各製作資料一併提供參考,期望能讓使用者及喜歡自己動手的讀者也能一享其樂。

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  年前在RCA IC技術手冊上看到CA3130 IC在直流穩壓電路方面之應用(圖一),筆者對表上所列之各種技術規格甚感興趣,當時也正值在市上流行,因而動了生產它的腦筋,於是經過筆者修改成三安培五十伏的線路並經生產應市。

  今年八月,當我們預定生產之線路板及IC快用盡時,曾再度考慮此線路生產之可能性,但卻發現CA 3130已無法用較低的價格獲得,只好另謀出路,可是筆者始終無法忘懷此線路的簡潔與高度的穩定性,考慮再三,決定以741 IC來代替此品,期望它也能帶來相同的效果。雖然3130可以取代741,但反過來卻未必行得通,因為應用上仍有相當大的差異,於是又把線路結構加以更改,並在保護部份予以加強,同時為了更便利的應用,又把自動換檔部分也一併處理,使它成為一個多工的系統。

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  圖二是整個電路的結構,由於使用IC做比較放大器,因而電路得以相當的簡潔,單就圖中電路本身的參數而言,它可以做到起碼五安培六十伏以上的輸出,同時它還具有一般電源供應器所沒有的其他功能,不論是對業餘或是對生產者而言都是一部相當好的工具。

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  整個電源供應器的工作原理可繪成圖1-a之方塊圖,我們可以看出欲得穩定的電壓輸出就是以輸出電壓上所取得的分壓和參考電壓比較,若比較器比較出任何的電壓差就控制分流電晶體Q2使之和電流源及電流推動級達成一個平衡狀態,換句話說也就是使比較器的兩個輸入電壓相等時平衡才能達成,因而穩壓的作用也就達成。

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  圖1-b中代入較實際的電路,由741運算放大器做誤差比較放大器,比較參考電壓及R1 R2在輸出端取得的分壓,當V1大於Vref時,運算放大器立即輸出電流,使Q2分去部分來自恆流源的電流,因此電流驅動級的Ib減少,而輸出端電壓自然降低使之達成V1=Vref,穩壓亦自然達成。當V1小於Vref時,運算放大器輸出減小,Ib相對的增加,輸出電壓自然提高使之V1=Vref。

  比較簡單的穩壓線路之電壓調整多為分壓電阻之阻值改變,由放大率之不同來控制電壓大小,此種方法對固定電壓輸出較為方便,但卻無法調至零伏,同時電壓輸出特性不一致,在本線路中是採用可變參考電壓的方法而不變動IC之放大率,如此可以獲得十分線性且寬廣的電壓調整範圍。

  參考電壓採用獨立電源,因獨立式電源可以獲得較好的參考電壓特性,共用電原則宜使用於較小的電壓電流輸出,求其便捷及造價低,但對輸入電壓的大幅變動像是換檔,極可能造成電壓不穩定,此外IC的供電壓±15V亦需要獨立式的供應(如為CA3130則可工作於單電壓),所以兩者的電壓可以共用一電源。

  此電路和一般電路的最大基本不同之處是偏流方式的改變,使它能在很大的電流下工作,同時它的輸出漣波依然能保持和小負載時一樣的水平。一般的電路中,其電流驅動的晶體之偏流取得多為固定電阻式,如圖一中之3.3K 1W電阻,此種方式的偏流是隨著電阻兩端的電壓差而改變,使用於低壓低電流中甚為方便,但要取得較大的電壓電流則行不通,因為必須考慮到電阻的功率問題,增加一級電流驅動級固然能解決此狀況,但卻帶動電路的穩定性問題,舉個例:

  設輸入電壓為80伏,欲做一部0~65V,5A之電源供應器,並設最大覆再時輸入電壓降為70伏而此時的驅動晶體放大率僅為40,則偏流應不小於5(電流)÷[40(功率晶體放大率)×40(第一級晶體放大率)]=0.003(A)。所以電阻值應小於(70-65)÷0.003=1666Ω1.5K,是以電阻功率應大於(80)²÷1500=4.26(W),換句話說如為零伏輸出時偏流電阻之功率至少應在7~10W左右,實為相當驚人的事,同時對其他晶體的工作負荷亦嫌稍重,更何況再工作覆再加大時,其穩定性仍屬可慮。

  改為恆流源之後,由於電流是恆定且可依電路之所需調配大小,所以電流電壓皆可增大,而穩定性甚佳,由圖二之D5 D6 R2 R3及Q1知:由二極體上取得約1.2V之電壓減去晶體之0.6V電壓並除以180Ω可得0.0033A之偏流,如同前例乘以晶體之放大率,可得5.3A之電流輸出,如考慮更大之電流輸出,更改R3為更低值即可,而3至5mA的電流對Q1 Q2 Q3之工作足可應付有餘,因此這是一個比較完美的設計。

  不過筆者仍需強調,即使是一部穩壓器,除非是在甚小的電流下使用,否則濾波電容的容量絕不可太小,其理由是太小的電容在負載電流增大時,會產生很大的輸入電壓降,如此想要獲得高電壓大電流是不可能的。

  保護電路方面採用了簡單但快速有效的晶體式電流旁路設計,這在一般的電路中可以常見,唯不同的是保護管的偏壓取得並非固定電阻式,而是二極體及電阻之混合法,如此通過二極體的電壓會產生0.6伏左右的壓降,利用此0.6伏做為保護管導通的基本偏壓,再加上因負載所產生的壓降(電阻及二極體皆有),則成為偏壓的來源,換句話說只要微些的電流負載就能造成保護管工作,但電阻式則不然,以1Ω而言,非得有0.6A以上之電流不能使它導通,採用較大的電阻固然能降低限流值卻也限制了電流輸出。

  為了讓保護電路能更廣泛的應用,又更進一步的將偏壓予以分壓,使得保護選擇點能隨心所欲的設定,10KB型可變電阻即是用做分壓,其中之20K半可變電阻是調整最大限流用,於是整個限流部分即可由3mA至最大電流間十分線性的調整,當然最低限流點是和二極體之特性有關,不過無論如何,以此低值之限流測試即使是小功率的穩壓二極體都十分安全,因此對穩壓器本身乃至待測電路都能構成保護作用。

  此外再IC之輸出端串了一個560Ω的電阻做保護IC用,如電路上之Q2 Q3及驅動級發生任何變動時,此電阻可限制IC之輸出避免損壞,另外Q4之射極串了一個二極體,用以防止一旦功率管被擊穿尤其是BC極間的短路造成逆向電壓回流損毀Q2 Q3 Q4。

  IC741做比較放大器,而R6 R7之比值即為決定電路之放大率,放大電壓之參數則為第2腳之電壓,換句話說,第二腳之電壓乘以放大率即為輸出電壓之近似值,因此參考電壓可變,則輸出電壓亦可變。只要將參考電壓做成一個由0V起可調的電壓,輸出電壓亦為由0V起可調變的,也正因此,參考電壓的穩定性及漣波大小即為決定輸出之主要特性。是以需要一個相當穩定且特定良好的參考電壓,在本電路中採用了雙穩壓方式,先從獨立的電壓中做預穩,然後再做一次穩壓,使得參考電壓具有相當好的特性。

  一種更精密的方式,讀者或可以參考採用,即是在D16上串上二個逆向二極體,如用晶體管更佳,再如同功率擴大機一樣將此二極體固定於散熱片上,此法有助於熱消耗增大時抑制電壓之上升。

  輸出電壓最大時多為無穩壓作用的漣波輸出,因此必須將此無意義的電壓在電表上去除,VR 20KB半可變電阻即是用以調整最大輸出用,如讀者僅想做50伏或更低值之電壓,可將D16改為7至8伏之穩壓二極體。

  換檔部份採用兩個單刀繼電器及四個晶體配合分壓電阻組成,從分壓電阻上可取得固定之切換點,不過由於使用者或仿製者所採用的變壓器電壓、電流及使用狀況不同,因而讀者可依自己的需要更換不同的電阻值以取得適當的切換電壓,當然!電壓之選擇應以熱消耗最小之間隔電壓為主要目標,在此電路中它的交流電壓分別為58V(HIGH),38V(MID),18V(LOW),切換點為DC38V及18V。

  許多讀者不明瞭換檔的目的何在,而事實上換檔在整個電源供應器系統中是個相當重要的角色,尤其是當我們強調它是個可調至0V之高電壓大電流的穩壓器時,換檔的工作更是不可忽視,以此電路為例,如為5A6V之輸出時,在負載上之功率消耗為6×5=30W,但功率管本身之熱消耗卻高達(70-6)×5=320W,功率管可能在一瞬間就燒毀,即使不壞,也不可能有如此大的散熱片來散熱。

  所以在低電壓使用時反而比高電壓危險的多,而解決方法就是再低電壓使用之同時也降低輸入電壓,繼電器即是用來切換輸入之交流電壓,使之能隨所使用之電壓高低而自動換入不同之輸入電壓,更由於繼電器之啟閉電壓相差約3至4伏,運用於自動換檔的電路相當有利,因為它不會在同一電壓上同時啟或閉,造成輸入電壓不穩定的變動。

  晶體管之選擇視所加之電壓及所需之電流而不同,一般而言,Q9 Q11至Q15為任何NPN型之小黑豆,Q10為PNP之小黑豆,Q1則宜用耐壓大於輸入電壓的小訊號管,如2SA872及2SB647A等,Q2宜用耐壓大於Vin而電流在3A以上之小功率管,如2SD401等,原因是IC之輸出發生變動時會造成此管工作甚重,Q3為電流大而耐壓低之小功率管,如2SD313等,理由是測試電路時如有逆向電壓易擊毀此管,較大電流管能耐得久些,Q4則為Q2之同型管,Q5至Q8宜用耐壓高於Vin之大電流大功率管,市上有些2N3055耐壓很高,十分適合此用途,如能採用舊貨攤上之舊管更可以節省不少開支,這些功率管之放大率如能相近是最好,若不也無妨,但切記射極電阻R9絕不可忘接,否則會造成只有單一晶體工作之危險狀況。

  繼電器採用6或12V單刀式的即可,但R12之阻值可稍予增加,以降低通過繼電器的電流,此外接點電流至少應在3A以上,同時各接點間可加接0.1至0.01μF 100V的電容,用以減少切換時繼電器閉合之跳火,PCB繪製時應注意大電流通過的地方線條應較粗,而使用於3A以上則整流子的電流量應予注意。

  表頭之使用一直是電源供應器的一大缺點,尤其是大功率的指示表頭,它的準確度及目視誤差都是問題,電流表尚可以用兩檔或多檔來解決低流顯示,不過使用不當時易損毀此表,電壓表則難處理了,因此筆者有意採用數字式表頭,但在低價的原則下頗費周章,目前已近成功之階段,希望有一天能實現它並且能恰好安裝於現有表頭之位置。

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  圖三為筆者所設計之PCB圖(蘇桑註:原文未附圖三,請參考圖四),圖四為零件位置圖,圖五為外接線圖,由於大部分的電路都已設計在PCB上,所以外接線十分的簡單。

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  整個電路可區分為副穩壓及電壓檢出部分,電流驅動及保護部份以及換檔部分,測試時也可以依此三步分別檢查,首先是R4不接,將交流電壓分別接上,濾波電容亦應接上,加電後量取輸出電壓,其質應略小於整流後之輸入電壓,再量取IC之輸出端,旋動電壓鈕,其輸出應在±15V之內變化,由此表示電壓輸出及檢壓控制部分皆正常,此時之繼電器亦應有活動之聲音,再接上R4旋動電壓鈕,輸出電壓應於0至最大電壓點間變化,而繼電器也應在各切換電壓點啟閉,如不準確,可更換R15至R18之阻值,至此穩壓器已初步完成測試。

  其次做負載實驗,先將電壓電流皆旋至最低,並取一適當阻值之大功率電阻接上,調整電壓電流直至表頭上有明顯的電流輸出為止(如3A),再次將限流之半可變電阻調至最大阻值,電壓選擇5伏左右,電流旋至最大,將輸出短路後觀察電流,此時之電流應於5A以下,再旋動半可變電阻,使之電流值達到5.5A為止,如為3A之穩壓器,則至少應調至3.5A,此點即為電路之最大限流點,亦即超過此值之電流皆無法輸出。

  短路實驗後,將短路源取下,調整電壓旋鈕,使其電壓為最高,再調整半可變電阻使其最大輸出電壓約為輸入電壓之1/1.2倍左右,至此所有之測試可算是完成。

  在做短路的時候,應注意時間不可太長,因為此時之熱消耗為24×5=120W,散熱片可能在5分鐘之內變得相當燙手(如果你的散熱片夠大的話)。其他如繼電器之接點是否確實,是否會振盪(Q2無端發熱),電壓電流是否線性,是否可調等都是應注意的事項。

  如讀者手邊有示波器,可在對輸出做測試,側市時應注意輸出或0V端接地,而兩只VR之外殼也應接地,如此方能獲得較理想的數據,筆者試之結果如下,輸出紋波小於500μV,其中大部分是IC本身之噪音,在1A之負載下能完全保持原狀,1至5A則紋波僅增加至1.5mV左右,換句話說如果示波器之靈敏度在10mV左右都無法觀察出任何異狀,其次筆者再以5A48V之負載加之,發覺電壓僅掉落0.005V,而大電流下的短路持續約五分鐘仍能保持完好,足見它是一部相當夠水準之電源供應器。

  在使用方法上和其他電源供應器並無不同,總是多注意盡量以小電流先對電路偵測,而在必要時加大電流,這樣不論是對被測物或是電源供應器本身都是十分安全的做法,此外雙電源之使用可依圖六,亦即需要兩組單電源串接成正負零之形態,而並聯使用時應注意各輸出端加串一只大於輸出電流之二極體,其目的用以防止逆向電壓之回流而擊毀保護管等,電路上所以未直接串上是因二極體本身會造成為小的電壓降,對此精密的電路而言仍是一大缺點。

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  由於它具有極佳之限流效果,我們可以利用此電源供應器做多項用途,如直接測試穩壓二極體,晶體之逆向電壓,晶體之耐壓及其他電源供應器所能做之測試等,此外它還能做恆流輸出,像是電瓶充電,電解等工業用途,善加處理,它將是一個意想不到的好工具。

轉載音響技術第48期DEC. 1979 高電壓˙大電流˙簡易套件/多功能穩壓電源供應器/夏海蔭

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