直流稳压电源的应用与意义-能华电源(山东)有限公司

直流稳压电源的应用与意义

2015-7-17 22:11:36      点击:

常见的直流稳压电源通常是将220V的交流市电转换成用电器所需要的低压直流电。在一些特殊的应用中,也有升压作用的高压输出稳压电源,不过在业余电台相关应用中非常罕见。根据不同的应用需要,按照电源的功能和特性,直流稳压电源通常分为固定输出电压型的系统供电电源、可调稳压电源、可编程电源、恒流源、电压校准参考源等。随着科技的发展,电源的结构形式和控制电路不断更新,高频开关电路和智能化数控成为电源的发展方向。

直流稳压电源的应用与意义

直流稳压电源最基本的应用遍布于我们的生活中。笔记本电脑、MP3以及很多数码产品的电源充电器都属于稳压电源,大部分电子产品的外置电源也是稳压电源。业余电台爱好者必备的、为家中固定电台供电的 13.8V电源更是典型的稳压电压。直流稳压电源为我们使用电台提供了一个稳定的低压直流源。

直流稳压电源是实验室和维修领域最常用的基础仪器。稳压电源为用电器和电路提供可靠的电源供应。在维修中,常常通过替代电器自身的供电单元(常称替代法)缩小故障范围,同时利用稳压电源监视用电设备的工作电流,与正常值做比较,以及时发现电路短路、断路等异常故障,对电路故障的判断很有帮助。例如,对于一台不能开机的手持对讲机,一般检修的第一步是卸下对讲机电池,通过维修电源为对讲机供电,然后看对讲机的电流变化。如果对讲机可以正常开机工作,则重点怀疑电池组供电和接触点的问题,如果对讲机开机没有反应,回路中没有电流,那么首先怀疑对讲机内部供电电路的问题,诸如内部保险丝是否烧毁等,然后再按顺序检查开关和稳压电路。在没有功率计的情况下,有经验的HAM可以通过发射时对讲机消耗电流的大小来大致判断输出功率的水平,以及射频功放电路是否工作正常。

在电子产品的研发和检测上,可调稳压电源应用广泛,它可以替代电池供电,并模拟各种供电状况,包括过压、欠压、标准电压等。有些高端的稳压电源还能模拟电池的内阻工作,为产品研发提供更接近实战的实验数据。例如,用户需要修改手持对讲机的低电压告警阀值,那就需要通过软件修改对讲机内部设定的工程参数,然后通过可调稳压电源模拟欠压状态,来确认低压告警的确切数值。例如,测量车载对讲机的发射功率,需要使用稳压电源来替代汽车电瓶供电,使供电电压稳定,以避免因为电瓶充电饱和程度及新旧程度不同而出现的电压高低变化,从而避免影响测试数据。

直流稳压电源的意义在于可以替代电池提供稳定、可控的直流电源,其输出的电压稳定程度要优于普通电池。稳压电源输出电压易于控制,可满足各种应用的需要。通常,用于实验和维修的稳压电源都安装有电压和电流表指示装置,以实时监控电源输出状态,使用起来比临时用万用表测量供电电压和电流方便实用得多。不少多功能的稳压电源还具备恒流源功能、电压跟踪功能、可调过流保护功能等,进一步扩展了稳压电源的应用。

直流稳压电源使用攻略,直流稳压电源的认识、使用和选购
固定电压直流稳压电源

形形色色的直流稳压电源

根据应用需求的不同,直流稳压电源分为各类特性不同的电源产品。

系统直流电源主要针对低压用电器供电设计,通常功能简单,输出功率大,输出电流也比较大(从几安培到几十安培),能为多个用电器供电,满足较大功耗的用电负荷。

能长期连续工作、工作稳定是这类电源设计的重点,输出电压的漂移和电压调节精细度则不是重点。对于一些专用的基础型系统电源往往是固定电压型的,在电源操作面板上并不提供电压调节功能,甚至有的专用系统直流电源不提供监控输出电压的电表,业余电台爱好者使用最多的电台电源就属于此类电源。有的产品为了迎合用户的口味,都在基础型电源上添加了电压表和电流表,使得电源看上去更高科技一些,同时也方便监视电源输出状况。对于一些高端的系统直流电源,使用了单片机控制和液晶显示,设置电压可以通过键盘数字化输入,有些功能和指标几乎赶上可编程电源了。

直流稳压电源使用攻略,直流稳压电源的认识、使用和选购
可调直流稳压电源

直流稳压电源使用攻略,直流稳压电源的认识、使用和选购
多路直流稳压电源

直流稳压电源使用攻略,直流稳压电源的认识、使用和选购
高分辨率数控电源

直流稳压电源使用攻略,直流稳压电源的认识、使用和选购
电压校准源

直流稳压电源使用攻略,直流稳压电源的认识、使用和选购
可编程电源

输出电压可调是可调直流稳压电源最大的特点。由于电压可调,适用的范围就更广了,广泛应用在实验室和维修场合,所以也被称为“维修电源”、“实验电源”。实际中,用于实验室和维修应用的产品会增加更多附加实用功能,如可调限流功能、跟踪功能等。限流功能比较实用,它可以设定稳压电源输出的最大电流,当电流输出超过设定值时,电压会下跌,但电流不会继续增加,类似进入恒流模式。有的电源提供过流保护功能,一旦电流超过预定值就进入保护状态,切断输出,需要重新启动电源才能恢复输出。在实验和维修中,由于误操作或者电路故障,导致短路时有发生,利用限流功能既保护了电源自身的安全,也保护了电路上的元器件,使它们不会受到大电流的冲击。一般市场上常见的可调直流稳压电源的电流都不大,输出电流在1~3A,可以满足普通数码产品和移动电话类通信产品的维修和实验需要。

多路可调直流稳压电源是可调稳压电源的一种,其特点是一台电源提供两路甚至三四路可以独立设定电压的输出,基本上可以看成几台单路输出的电源合并使用,适用于需要多种电压供电的场合。高级一点的多路电源还具有电压跟踪功能,使几路输出能联动调节。

精密可调直流稳压电源是可调稳压电源的一种,其特点是电压、电流调节分辨率高,电压设定精度优于0.01V。为了精确显示电压,目前主流的精密电源都采用多位数字表指示。电压和限流精密调节机构的解决方案不同,低成本的解决方案采用粗调和细调两个电位器,标准解决方案则采用多圈电位器,高档电源则采用单片机控制的数字化设定。采用单片机控制的稳压电源也被称为数控电源,通过数控方式更容易实现精密调节与设定。精密直流稳压电源内部线路也比较先进,电压稳定性也比较好自身电压漂移小,通常适用于精密实验场合。精密直流稳压电源是国内的称呼国外进口电源基本没有标称精密电源,只有高分辨率电源和可编程电源。

可编程电源是用单片机以数字化形式控制的可调稳压电源,其设定的参数可以存储起来供日后调用。可编程电源设定的参数比较多,包括基本的电压设定、功率限制设定、过流设定以及扩展的过压设定等信息。通常可编程电源具有较高的设定分辨率,电压和电流参数的设定都可以通过数字键盘输入。中高档的可编程电源自身电压漂移也很小,多用于科研场合。

标准电压参考源是一种特殊的稳压电源,其作用和内部线路与普通的供电型稳压电源不同,用于提供作为参考标准的电压信号,以校准各类电压测量仪器(电压表、万用表),本身带负载能力很低,但电压准确度很高,漂移极小。

开关电源 VS 线性电源

目前实现直流稳压的线路有两大类型,一类是传统的以变压器为降压核心、附加稳压线路的线性电源,一类是时下流行的以工作于开关状态的电子电路构成的开关电源。这两种类型的电源各有自己的优、缺点。线性电源的优点是纹波容易控制,线路简单,易于维修。缺点是体积笨重,需要用到变压器和大容量电容,转换效率不高。开关电源的优点是体积小、重量轻、转换效率可以做得比较高、不需要使用昂贵的变压器和大容量电容。缺点是电路结构比较复杂,维修困难,不可避免地存在开关频率干扰,纹波比较难控制。目前随着开关电源技术的成熟和金属铜价的节节攀升(制作变压器需要耗费大量的铜线),传统线性电源的成本优势越来越小,大电流输出的开关电源的价格优势越来越明显。现在很多数码产品和电子产品所配套的小型外置电源都渐渐换成了轻便的开关电源。

对于业余电台爱好者来说,选用电源除了能保证足够的低压直流电供应外,还需要保持很低的纹波和高频干扰,不能让电源对短波无线电信号接收造成实质性的干扰。传统变压器线性电源的特点正好满足这方面的需要,所以很多老HAM都推荐传统的线性电源。不过现在的通信开关电源通过滤波和屏蔽等措施,早就能有效抑制干扰,达到通信电源的标准。很多电台的原厂配套电源和内置电源都采用开关电源,所以专门为通信设计的开关电源一样能用于短波通信。实践证明,超短波 U/V波段对讲机对电源的要求不高,一些用二手计算机开关电源改制的电源也可以很好地为车载对讲机供电。此外,开关电源的保护电路设计得比较周到,包括过压、过流保护和内部故障检测。内部如果出现故障,则停止输出,以防损坏用电设备,而如果普通线性稳压电源没有特别附加线路,其调整管被击穿短路后,很容易输出高电压。不少HAM都有线性电源的扩流管故障导致电压升高而损坏电台的惨痛经历。

区分开关电源与线性电源比较简单,除了产品说明外,看看电源内部有没有大体积的变压器就知道了。线性电源主变压器体积大、份量重,往往占据整个电源的大部分空间,开关电源使用的变压器则小得多。相同功率输出等级的开关电源的重量要远比线性电源轻得多。

开关电源是电源发展的方向。正规的优质开关电源应该符合EMC标准,虽然设计成本会高些,但EMI受到有效抑制。除了对纹波要求极高的用户可考虑选购线性电源外,对于普通应用,开关电源应该是更好的选择。

纹波是标志直流电源性能的重要参数,知名大厂家都会如实提供技术数据,可以此作为横向比较。用户也可以通过示波器方便地自行测量直流电源的纹波电压。需要注意的是,通常同一个电源在不同负荷下的纹波是不同的,一般测量纹波都是在满负载情况下。在实际测试和应用中,纹波是允许存在的,只要符合标准、不过大就行。其实,无论是线性电源还是开关电源都必然存在纹波,只是大小不同而已。通过各种手段也只是尽量抑制并不能彻底消除纹波,真正零纹波的直流电源只有电池才能提供。

常规使用方法

直流可调稳压电源的使用比较简单,主要操作是对电源进行对应的设定。本文以具有代表性的KIKUSUI(菊水)PMC 18-2A直流可调稳压电源为例说明可调稳压的使用。

第一步,电源连接。将稳压电源连接上市电。
第二步,开启电源。在不接负载的情况下,按下电源总开关(power),然后开启电源直流输出开关(output),使电源正常输出工作(一些简单的可调稳压电源只有总电源开关,没有独立的直流输出开关)。此时,电源数字指示表头上即显示出当前工作电压和输出电流。

第三步,设置输出电压。通过调节电压设定旋钮,使数字电压表显示出目标电压,完成电压设定。对于有可调限流功能的电源,有两套调节系统分别调节电压和限流,PMC 18-2A就是这样。调节时要分清楚,一般调节电压的电位器有“VOLTAGE”字样,调节限流的电位器有“CURRENT”字样。由于PMC 18-2A采用多圈电位器,所以采用了单电压调节旋钮。很多入门级产品使用低成本的粗调/细调双旋钮设定,遇到双调节旋钮,我们先将细调旋钮旋到中间位置,然后通过粗调旋钮设定大致电压,再用细调旋钮精确修正。

第四步,设置限流电流。按下电源面板上“Limit”键不放,此时电流表会显示限流数值,调节限流旋钮,使限流数值达到预定水平。一般限流可设定在常用最高电流的120%。有的电源没有限流专用调节键,用户需要按照说明书要求短路输出端,然后根据短路电流配合限流旋钮设定限流水平。简易型的可调稳压电源没有限流设定功能,也没有对应的旋钮。

直流稳压电源使用攻略,直流稳压电源的认识、使用和选购
菊水稳压电源

第五步,设定过压保护OVP。过压设定是指在电源自身可调电压范围内进一步限定一个上限电压,以免误操作时电源输出过高电压。一般,过压可以设置为平时最高工作电压的120%水平。过压设定需要用到一字螺丝刀,调节面板内凹的电位器,这也是一种防止误动的设计。PMC 18-2A设定OVP电压时,先将电源工作电压调节到目标过压点上,然后慢慢调节OVP电位器,使电源保护恰好动作,此时OVP即告设定完成。然后,关闭电源,调低工作电压,就能正常工作了。设定工作电压参考上文中第三步。不同的电源设置,OVP方式不同。例如,菊水PAK系列电源就有专门的OVP设定键,按下OVP键即显示最高限压,用户可以快速检查限压数值和调节限压水平。对于一些入门级的电源则没有OVP功能。

第六步,通信接口参数设置和遥控操作的设置。对于本地控制的应用(面板操作)要关闭遥控操作。通信接口要按通信要求设定,本地应用则不需设置。

品牌与选购

选择直流稳压电源主要从输出电压、输出电流、附加功能、电气性能等方面综合考虑。

输出电压必须达到用电设备的需要。对于固定电压供电的系统,不一定苛求电源具备电压调节功能,有时电压调节功能误操作会使电源输出过高的电压,导致用电设备损毁。例如,为常规固定电台供电的稳压电源,调压功能就不是必需的,能恒定提供13.8V电压就行。对于实验和维修应用的电源,具备电压可调功能可以适用更多的应用需要。通常,电压调节范围越大的电源,价格也越高,支持输出的电流也越小,所以电源调节范围基本够用就行。用于维修数码产品和通信产品的可调稳压电源支持1~15V调压范围就基本够用了,如果你需要使用24V电压,那么1~30V调压范围的产品比较适合。

输出电流是稳压电源为负载供电能力的标志。稳压电源的输出电流应该大于实际最大工作电流。例如,维修小型数码产品和移动电话,一般支持输出1A电流的稳压电源就够用了。维修手持对讲机,则最好配备能输出3A的稳压电源。目前,主流手持对讲机高功率发射电流在2A左右,市场上很多稳压电源输出电流最大只有 2A,实际使用起来就会捉襟见肘。对于维修笔记本电脑的用户,则需要配备5A左右的稳压电源,因为笔记本外部电源的工作电流大多在2.5~4A。为车载电台供电需要配备10~12A的稳压电源,大功率的车台发射时耗电为8~10A。为100W级的短波电台供电需要配备20A的稳压电源,一般短波电台全功率发射时需要16~18A电流。

选择输出电流大一些、功率余量大一些的电源是不错,不过同档次等级产品中,电流越大,价格也越高,同时体积和重量也会越大。需要注意的是,有的可调稳压电源在不同电压段输出的最大电流限制不同,以输出总功率表示,功率除以电压就是最大工作电流。另外,有的稳压电源标称最大输出电流有瞬时最大电流和连续输出最大电流之分。

数字表头和指针表头指示各有优点,数字表头读数直观方便,指针表头指示变化的电流量比较符合传统习惯。由于数字表头比指针表头成本高,所以对于只需大致指示固定电压值,稳压电源则多采用廉价的指针表头。对于需要比较精确地调整电压的可调稳压电源,现在多采用数字表头,有的高档稳压电源还内置高分辨率的数字电压表,用于测量显示。尽管分辨率较高的稳压电源显示通常会使用位数较多的数字表头,但数字表u头的显示位数与稳压电源的分辨率、稳定性及自身电压漂移水平并没有必然的联系。

稳压电源的保护功能确保电源自身和用电设备的安全,常见的保护功能有过流保护、过压保护、高温保护。对于可调实验电源,可调节的过流保护、过压保护可以减小误操作给电路故障带来的危害。对于输出功率大一些的电源,很多产品都用风扇强制散热,这样不但可以提高散热效率,还可以大大节省大面积的金属散热片。风扇的工作噪声和寿命成为用户关注的问题,除了使用低噪声、低转速、大风量的风扇外,采用温控电路是目前较多采用的方法。高档一点的电源利用温度控制风扇转速(当然不是简单的靠温度继电器启停风扇),以达到散热效率和噪声的最佳平衡点。对于中小功率的稳压电源,很多中档以上产品都使用大面积的散热片而避免使用风扇,这样虽然成本高一些,但能避免风扇噪声、寿命、积灰等一系列问题。

高端应用和特殊应用往往需要用到稳压电源的特别功能,诸如有的稳压电源支持多台并联以增加输出电流,有的稳压电源支持多台串联以提高输出电压,有的多路稳压电源提供电压跟踪功能,有的稳压电源提供GPIB或RS232通信接口和遥控功能。高端应用除了稳压电源功能外,会对电源的性能提出更高的要求,诸如低纹波、低噪声、高速负载瞬变响应、低温度漂移等。

我们应该根据实际应用需要来选择电源的档次和定位类型。为电台等设备供电,采用普通系统电源即可,同样输出功能等级的精密可调电源价格会高得多。用于维修的场合,可调稳压电源为首选,具备调压和限流调节的基本功能就够用,如果采用高端的实验室级电源,虽然基本功能相同,但价格上就不划算了。高端电源的高性能和通信联机功能对于维修并无明显的帮助。高端实验室配套的电源除了基本的调压功能外,对电源的纹波和噪声以及响应速度都有较高的要求,以满足高端测试和复杂应用的需要。

直流稳压电源使用攻略,直流稳压电源的认识、使用和选购
Agilent E3640A电源

直流稳压电源使用攻略,直流稳压电源的认识、使用和选购
ITECH IT6122可编程电源

直流稳压电源使用攻略,直流稳压电源的认识、使用和选购
菊水PAN系列电源

市场上提供的高端直流稳压电源品牌很多,在国内实验室用得比较多的国外品牌有KIKUSUI菊水(日本)、Agilent/HP(美国)、 LAMBDA(日本)。KIKUSUI PAN-A系列是高可靠性电源,具有低噪声快速过渡响应的特点,同时设计有多重安全保护措施,产品系列中有多种输出电压、电流规格的产品,广泛应用于高端实验室,作为功率型直流稳压电源。

Agilent的E3600系列提供了优异的电源调整率和负载调整率以及极低的噪声,同时E3600系列具有基本的可编程功能和很好的操控界面,方便精确设定,广泛应用于中高端研发实验室,作为高精度电源。

此外,CHROMA、TAKASAGO(高砂)、KEITHLEY、KENWOOD也是性能很好的品牌。国内的艾德克斯(ITECH)、固纬、 TOPWARD(托福)的产品性能也不错,可以跻身中高档电源之列。ITECH和固纬有不少数控电源、可编程电源产品,国内生产线和大中院校基础实验室选用较多的有固纬和TOPWARD(托福)的多路电源产品,价格适当,口碑很好。

扬中科泰、中策有不少价廉物美的实用级可调稳压电源,广泛应用于大学教学实验室以及维修场合。