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   任何從事無線電或一般電子電路工作並把它當作一種愛好的人,不管在工作區域或實驗室裡其所採用的儀器之中,使用的最廣泛的應該是一部性能良好的直流電源供應器。此供應器最平常的優點,除了維護簡單外更要有經得起長年使用的高信賴度。而且,如果想要在家裡的個人實驗室內也擺上一台的話,就更需具備裝配簡單與容易調整的優點。

  本文所介紹的供應器是為低電壓大電流而設計,能提供足夠的電力給數部工作電壓13V以下的儀器或其他負載同時使用。輸出電壓可作精細的調整,最大電壓輸出13.8V,如果輸出功率晶體的散熱安排得宜,電流最大輸出為30A。除了功率夠外,為了提高線路的信賴度,本電路具有多種保護措施如輸出短路、熱跑脫、超壓及人為操作失誤等的保護能力,同時在主變壓器的輸入端也加入了延遲啟動(SOFT-START)網路,以避免大量的充電電池流入大濾波電容時可能引起的瞬間湧浪過載問題。當然,自行製作大輸出電流的供應器,最不方便的就是巨型的變壓器與容納用的機箱,不過只要變壓器的電壓單純則定製方便,機箱夠大且安排得當,對有心人來講應該不是問題。

電路設計:

  電路工作的心臟採用非常普遍的穩壓,IC LM723,此IC內有一加有緩衝級的參考電壓,本身穩壓最大輸出電流可達100mA。我們以圖一所示電路來說明723 IC加上一些配屬零件後如何做到電流過載與超壓保護的功能。

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  當輸出電流增加,則電流感應電阻R18上的壓降亦必上升,而R18上的壓降關係到TrA晶體基──射極偏壓,以數學式表示:

  VR18=VR1+VBE(TrA), VR18=R18xIL

  IL為輸出電流或負載電流

 則 VBE(TrA)=R18xIL-VR1                        

式可知IL輸出在額定值以下時,VBE(TrA)電壓不會到達切入(CUT-IN)點而保持在截止狀態,若IL輸出上升超過額定值使VBE(TrA)增加到偏壓切入點(矽質晶體約0.6~0.7V)時,TrA將開始導通,而TrA導通後的VCE電壓又關係到Tr2與TrB的偏壓,再以數學式表示:

  VCE(TrA)=VBE(TrB)+VBE(Tr2)+VR18

  VBE(TrB)+VBE(Tr2)=VCE(TrA)-VR18              

式可知連續關係是: 當IL上升,TrA導通,VCE(TrA)下降最後使TrB趨向於截止把輸出電流IL減低,如此即可避免電流過載的現象發生。而且,當輸出電壓下降到低於7V時,二極體D3導通取代了導通TrA的工作,將穩壓器完全關閉並鎖定。

  很顯然地,要使電路恢復正常工作,首要條件就是必須將TrA截止,不過假如負載仍然有缺點的話,電路為了保護自己是不會把TrA截止的。若負載恢復正常使輸出電流減少、輸出電壓回升,則首先將D3截止,同時VR18亦下降到低於TrA的切入電壓時,TrA截止,使TrB導通,穩壓電路恢復正常狀態。

  R15電阻與穩壓二極體D5與二極體D4,可使輸出不接負載時保持電壓輸出在10V以上,數學關係為: Vout=Vz(D5)-VD4或VD4(D5)-Vout,假設Vz(D5)=10.7V,故當輸出電壓Vout高於10V時,D4逆向偏壓被截止,若Vout低於10V以下時,則D4導通得Vout=Vz(D5)-VD4=10.7-0.7=10V。

  TS1為熱敏開關電阻,在室溫時為高阻抗,當溫度上升達75時阻抗降低到約100Ω左右,允許足夠的偏壓電流通過Tr1,Tr1導通後LED D1(圖二)亦導通發亮警示超溫,同時亦將TrB截止鎖定,除非負載恢復正常使溫度下降。

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  本機輸出滿載時功率級的損耗為180W(假定未穩壓輸入18V,穩壓輸出12V),為確保有足夠的電流輸出,功率晶體使用5枚2N3055並聯。每一功率晶體各加一枚0.11Ω的射極電阻,此射極電阻R18~R22具有監視負載電流的作用。Tr2為驅動晶體,功能為電流增益,能使723最大輸出電流100mA加大到足以推動功率晶體作滿額輸出。圖二、三為本機完整電路圖。下文就以此全圖再作說明。

  電流過載與超溫保護前文已詳述,接著來說明超壓(OVERVOLTAGE)保護與主保險絲使用的有關問題。輸出端加到負載的電壓因某種原因上升超過安全範圍而供應器有能力把輸出截止是非常重要的,這樣電路本身不但能自保也不會損毀所加的負載,而且如果負載是精密又昂貴的儀器,那就更有意義了。

  一般會使輸出電壓升高的原因不外是輸出功率晶體失效,有兩種情況:其一,如果是晶體開路,則對負載無害。其二,如果是晶體短路,那未經穩壓的輸入電壓經過短路的功率晶體將直接送到輸出端加到負載上,這可就危險了!我們再來談談保險絲的使用,雖然一般電路都在輸出端串上保險絲保護,但對低電壓大電流輸出的供應器而言,靠保險絲的作用是不夠安全的。怎麼說呢?一只可容忍連續30A電流的保險絲,以瞬間電流來說,500A電流可容忍4mS,200A可容忍500mS而100A可保持10S之久,以本機為例,濾波電容66000uF,在低電壓的情況下,10mS以內是無法充滿那麼大的電流。也就是說如果輸出短路,電路本身濾波電容所儲存的能量就不足以將保險絲燒毀,更何況在這10mS以內,線路本身及所採的負載可能已經損壞而保險絲依然不斷。所以本機輸出不採用保險絲,而是在主變壓器前端加上電路式的斷路器網路來做保護。

  超壓保護使用3243 IC,由輸出取得回授電壓,為避免湧浪雜訊造成誤偵測,線路也加入了延遲功能(C10~C13)。當輸出電壓上升超過R28所設定的參考位準時,C9開始充電,充電電壓到達與參考位準電壓相同時,3243 IC第8腳輸出一高電壓將SCR1觸發導通,使RLA1線圈的激發電壓消失,RLA1跳開將電源切斷。同時濾波電容C2、C3經由R4及SCR1放電,R4為洩放電阻,可防止電容放電過速而發熱與限制流過SCR1的電流。由於濾波電容上已無電壓,則RLA1無法被激發,就算打開主電源開關S1也無法重新開機,這樣對錯誤或不熟悉的開機方式具有保護的功效。

  欲重新開機,需按下「按一通」(PUSH-START)開關S3將RLA旁路,S3與R2電阻串聯,可限制湧浪電流在快熔保險絲FS1的安全工作範圍內。再者,為避免人為錯誤的操作與使用,更加上一只熱敏開關S4固定在R2電阻上(如圖四)。

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當電流突增R2溫度上升到達70時S4會跳開切斷電源,除非R2溫度降到55以下,S4才會在接上。以上所說的這麼多的保護措施,使電路看起來很複雜,事實上這才是最經濟而有效的方式。

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組裝:

  電壓控制與超壓保護電路都設計在一片PCB上如圖五圖六為零件位置圖。此片PCB電路是工作在小電流狀態所以其接線不必太粗,橋式整流器需固定在機殼或加裝散熱片散熱。

散熱片

  如果機箱容量允許,散熱片面積越大越好,功率晶體為標準TO-3鐵殼包裝型2N3055。塑膠包裝型TIP3055亦可。

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圖七為功率晶體在散熱片上固定的安排方式,當然晶體鎖上以前先墊上雲母片與塗上散熱矽油是必須的,射極電阻用兩只0.22Ω電阻並聯直接焊在晶體的射極PIN上。熱敏開關TS1亦與功率晶體裝在同一散熱片上以取得保護控制的溫源。5枚功率晶體可裝在同一散熱片上或裝在兩片面積較小的散熱片,視機箱的情況決定。另在主變壓器前端亦安排了電扇冷卻用的驅動電路,可加裝一小電扇幫助散熱。

電力配線

  大電流部分的連線至少應使用4mm²PVC絕緣的電纜線,並建議使用標籤證明每根線的作用名稱,以利爾後的維護需要。

測試

  打開電源開關前,需先檢查所有零件與接線是否無誤,不然一點小疏忽,可能造成遺憾的大損害。首先確定遙遠感應(REMOTE SENSE)或測試端已接到主輸出端上,然後順時針旋轉R13、R24與R28到底,裝上3A FUSE於主電源上打開S1,此時輸出端上不應有電壓,除非壓下開關S3,濾波電容上才會有電壓慢慢上升直到把RLA驅動接通為止,此時可將S3鬆開。調整R24使輸出電壓為13.4V。由於本機沒有安排外加電錶與輸出並聯,無法隨時注意工作時的電壓情況。且電壓設定電阻R24與超壓設定電阻R28均為半固定型,所以在設定輸出電壓時須先知道所加負載的耗電情形,因為電壓的穩定性視輸出電壓與負載電流略有不同,以本機而言表一即為設定對照表。

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超壓設定

  首先將輸出電壓調到15V,然後慢慢調整R28直到SCR觸發導通。再調整R24使電壓降低,再將電壓慢慢提高直到SCR又導通一次,檢查此時電壓是否為15V,不然則調整R28重新設定。無誤後調整R24,使電壓為13.4V。

電流設定

  本機安全額定輸出為13.4V、30A,所以測試用負載電阻需0.44Ω、400W線繞型。負載與電流表串聯後接上輸出端,開機,不管電流高或低於30A,調整R13直到電流為30A。使用本機若負載電流大於5A時,開機以前需先將冷卻風扇打開。

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結論:

  本機為大電流輸出,所以第一眼很容易給人複雜和困難的印象,不過經前文說明後相信可以消除成見了。雖然很「多」其實很簡單,事實就是如此。

  大電流輸出可使負載工作於高頻甚至超高頻之下仍能保持電壓的穩定。若嫌電壓輸出過低,可依前文所述要點將電路做適當修改使輸出30V,機殼加上電壓與電流錶,並將R24與R28改為可調式並接線固定在機殼上,那將是一部完美的電源供應器了。本文所著重的不在穩壓原理而是周全的保護措施,這是特點。 (取材自:Practical Wireless 6/1983)

轉載音響技術第98期FEB. 1984 30A低電壓大電流電源供應器/張嘉雄

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