24V開關(guān)電源原理和維修

· 電源是任何電子設(shè)備必不可缺的一個(gè)部分。有些設(shè)備具有自備電源，有些設(shè)備，如溫度壓力傳感器等，則需另外配用適宜的電源——DC24V電源。隨著各類傳感器在工業(yè)控制領(lǐng)域的大量應(yīng)用，相應(yīng)的電源產(chǎn)品的供給也形成了一定的規(guī)模，高效率、模塊化的儀用DC24V電源產(chǎn)品逐漸獨(dú)立出來(lái)，成為了“專用電源設(shè)備”;一些生產(chǎn)線自動(dòng)控制設(shè)備，對(duì)供電電源有一定的要求，需要交流穩(wěn)壓供電，各類交流穩(wěn)壓電源設(shè)備，能提供較為穩(wěn)壓的電源供給;一些設(shè)備，如工業(yè)電腦，為滿足數(shù)據(jù)記憶，應(yīng)急事件處理等要求，除要求穩(wěn)壓供電外，還需要在電網(wǎng)停電時(shí)，能實(shí)現(xiàn)不間歇供電，UPS一類電源設(shè)備產(chǎn)品也應(yīng)運(yùn)而生。

· 其實(shí)，從廣義上講，變頻調(diào)速控制器、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器、電焊機(jī)、電鍍機(jī)等設(shè)備，均可列入電源設(shè)備，但上述設(shè)備已有專著介紹，本文僅就自動(dòng)化控制中常用到的，但其電路資料相匱乏甚至為空白的DC24V儀用電源做出電路原理分析和故障檢修指導(dǎo)。

· 儀用DC24V開關(guān)電源

· 儀用DC24V開關(guān)電源，是一個(gè)獨(dú)立的電源產(chǎn)品，經(jīng)常作為壓力、溫度傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器等檢測(cè)儀器的專用穩(wěn)定直流電源。有眾多廠商生產(chǎn)和經(jīng)銷該類產(chǎn)品，整機(jī)電路組裝于一個(gè)易于安裝和電磁屏蔽良好的金屬殼體中，輸入/輸出端子便于進(jìn)行線路的連接，故障率低，耐受較為惡劣的工業(yè)生環(huán)境。

· CL-A-35-24儀用DC24V開關(guān)電源，是額定功率為35W，輸出額定(可調(diào)整)電壓為DC24V的開關(guān)電源產(chǎn)品，穩(wěn)壓精度較高，對(duì)過(guò)載、短路故障有較好的保護(hù)功能。

· 開關(guān)電源電路，為直—交—直型的逆變電路，是一種電壓和功率的變換器，將直流電壓和功率轉(zhuǎn)換為脈沖電壓，再整流成為另一種直流電壓。輸入、輸出電壓由開關(guān)變壓器相隔離，開關(guān)變壓器起到功率傳遞、電壓/電流變換的作用。本機(jī)電路中的開關(guān)變壓器為降壓變壓器。整機(jī)電路由市電整流濾波電路、PWM脈沖生成電路、逆變功率開關(guān)電路和開關(guān)變壓器二次整流電路、穩(wěn)壓控制和過(guò)載保護(hù)電路組成。具體電路構(gòu)成見下圖1。

· 1、電路構(gòu)成和工作原理分析

· 電路以UC3842振蕩芯片為核心，構(gòu)成逆變、整流電路。UC3842一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片，相關(guān)引腳功能及內(nèi)部電路原理已有介紹，此處從略。AC220V電源經(jīng)共模濾波器L1引入，能較好抑制從電網(wǎng)進(jìn)入的和從電源本身向輻射的高頻干擾，交流電壓經(jīng)橋式整流電路、電容C4濾波成為約280V的不穩(wěn)定直流電壓，作為由振蕩芯片U1、開關(guān)管Q1、開關(guān)變壓器T1及其它元件組成的逆變電路。逆變電路，可以分為四個(gè)電路部分講解其電路工作原理。

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· 圖1 CL-A-35-24儀用DC24V開關(guān)電源

· 1)振蕩回路：開關(guān)變壓器的主繞組N1、Q1的漏--源極、R2(工作電流檢測(cè)電阻)為電源工作電流的通路;本機(jī)啟動(dòng)電路與其它開關(guān)電源(啟動(dòng)電路由降壓限流電阻組成)有所不同，啟動(dòng)電路由C5、D3、D4組成，提供一個(gè)“瞬態(tài)”的啟動(dòng)電流，二極管D2吸收反向電壓，D3具有整流作用，保障加到U1的7腳的啟動(dòng)電流為正電流;電路起振后，由N2自供電繞組、D2、C5整流濾波電路，提供U1芯片的供電電壓。這三個(gè)環(huán)節(jié)的正常運(yùn)行，是電源能夠振蕩起來(lái)的先決條件。

· 當(dāng)然，U1的4腳外接定時(shí)元件R48、C8和U1芯片本身，也構(gòu)成了振蕩回路的一部分。

· 電容式啟動(dòng)電路，當(dāng)過(guò)載或短路故障發(fā)生時(shí)，電路能處于穩(wěn)定的停振保護(hù)狀態(tài)，不像電阻啟動(dòng)電路，會(huì)再現(xiàn)“打嗝”式間歇振蕩現(xiàn)象。工作電流檢測(cè)從電阻R2上取得，當(dāng)故障狀態(tài)引起工作過(guò)流異常增大時(shí)，U1的6腳輸出PWM脈沖占空比減小，N1自供電繞組的感應(yīng)電路也隨之降低，當(dāng)U1的7腳供電電壓低于10V時(shí)，電路停振，負(fù)載電壓為0，這是過(guò)流(過(guò)載或短路)引發(fā)U1內(nèi)部欠電壓保護(hù)電路動(dòng)作導(dǎo)致的輸出中止;工作電流異常增大時(shí)，R2上的電壓降大于1V時(shí)，內(nèi)部鎖存器動(dòng)作，電路停振，這是由過(guò)流引發(fā)U1內(nèi)部過(guò)流保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致輸出中止。

· 2、穩(wěn)壓回路：開關(guān)變壓器的N3繞組、D6、C13、C14等元件組成的24V電源，基準(zhǔn)電壓源TL1、光耦合器U2等元件構(gòu)成了穩(wěn)壓控制回路。U1芯片和1、2腳外圍元件R7、C12，也是穩(wěn)壓回路的一部分。實(shí)際上，TL1、U1組成了(相對(duì)于U1內(nèi)部電壓誤差放大器)外部誤差放大器，將輸出24V的電壓變化反饋回U1的反饋電壓信號(hào)輸入端。當(dāng)24V輸出電壓上升時(shí)，U1的2腳電壓上升，1腳電壓下降，輸出PWM脈沖占空比下降，輸出電路回落。當(dāng)輸出電壓異常上升時(shí)，U1的1腳下降為1V時(shí)，內(nèi)部保護(hù)電路動(dòng)作，電路停振。

· 3、保護(hù)回路：U1芯片本身和3腳外圍電路構(gòu)成過(guò)流保護(hù)回路;N1繞組上并聯(lián)的D1、R1、C9元件構(gòu)成了開關(guān)管的反向電壓吸收保護(hù)電路，以提供Q1截止時(shí)的反向電流通路，保障Q1的工作安全;實(shí)質(zhì)上穩(wěn)壓回路的電壓反饋信號(hào)，也可看作是一路電壓保護(hù)信號(hào)——當(dāng)反饋電壓幅度達(dá)一定值時(shí)，電路實(shí)施停振保護(hù)動(dòng)作;24V的輸出端并聯(lián)有由R18、ZD2、單向晶閘管SCR組成的過(guò)壓保護(hù)電路，當(dāng)穩(wěn)壓電路失常，引起輸出電壓異常上升時(shí)，穩(wěn)壓二極管ZD2的擊穿為SCR提供觸發(fā)電流，SCR的導(dǎo)通形成一個(gè)“短路電流”信號(hào)，強(qiáng)制U1內(nèi)部保護(hù)電路產(chǎn)生過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，電路處于停振狀態(tài)。

· 4、負(fù)載回路：N3次級(jí)繞組及后續(xù)整流濾波電路，即是電源輸出電路，也可視為負(fù)載回路，如D6或C13、C14任一元件擊穿或漏電故障發(fā)生，即形成同負(fù)載電路過(guò)載、短路一樣的結(jié)果，引發(fā)電路處于停振狀態(tài)。負(fù)載回路的異常，會(huì)牽涉到保護(hù)回路和穩(wěn)壓回路，使兩個(gè)回路做出相應(yīng)的保護(hù)和調(diào)整動(dòng)作。但保護(hù)電路的內(nèi)容并不僅是局限于保護(hù)電路本身，保護(hù)電路的起控往往是由于負(fù)載電路的異常所引起。

· 振蕩芯片本身參與和構(gòu)成了前三個(gè)回路，芯片損壞，三個(gè)回路都會(huì)一齊罷工。對(duì)三個(gè)或四個(gè)回路的檢修，是在芯片本身正常的前提下進(jìn)行的。另外，要像下象棋一樣，用全局觀念和系統(tǒng)思路來(lái)進(jìn)行故障判斷，透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)。如停振故障，也許并非由振蕩回路元件損壞所引起，有可能是穩(wěn)壓回路故障或負(fù)載回路異常，導(dǎo)致了芯片內(nèi)部保護(hù)電路起控，而停止了PWM脈沖的輸出。并不能將各個(gè)回路完全孤立起來(lái)進(jìn)行檢修，某一故障元件的出現(xiàn)很可能表現(xiàn)出“牽一發(fā)而全身動(dòng)”的效果。

· 2、儀用DC24V開關(guān)電源的故障檢修

· 開關(guān)電源電路常表現(xiàn)為以下兩種典型故障現(xiàn)象(參照?qǐng)D1)：

· 此處的檢修是指不連接負(fù)載的情況下，對(duì)儀用DC24V開關(guān)電源進(jìn)行上電空載下的獨(dú)立檢修的。對(duì)確保人身安全，建議采用AC220V/220V隔離電源來(lái)檢修，以便于帶電測(cè)量。

· 1)測(cè)24V輸出端子電壓為0V。

· 細(xì)聽有上電瞬間設(shè)備有“吱”聲，測(cè)輸出有電路跳變，隨即輸出電壓變?yōu)?V。說(shuō)明市電整流濾波電路、U1芯片的啟動(dòng)、振蕩電路基本上正常的，電路具備起振工作條件，但因保護(hù)電路起控，引發(fā)電路停振，重點(diǎn)應(yīng)檢測(cè)負(fù)載回路、穩(wěn)壓回路和保護(hù)回路。如停電檢測(cè)輸出電路回路的D6、C13、C14、SCR等元件有無(wú)損壞;穩(wěn)壓回路的TL1、UR1等有無(wú)不良;自供電電源R9、D2、C5等元件有無(wú)不良;過(guò)電壓吸收電路的R1、D1、C9等元件有無(wú)不良等。

· 上電瞬間設(shè)備無(wú)起振聲間，測(cè)輸出端一直為0V。測(cè)濾波電容C4兩端有無(wú)280V直流電壓，若無(wú)，應(yīng)檢測(cè)FU、RT及整流電路的好壞;若正常，應(yīng)順序檢查開關(guān)管Q1的漏、源極電流回路和C5、D3啟動(dòng)回路，R9、D2、C5元件構(gòu)成的自供電回路;U1外圍振蕩電路及U1元件本身是否不良。

· 2)、24V輸出電壓偏高或偏低。

· 輸出電壓采樣電路中設(shè)有半可變電位器UR1，標(biāo)注為“ADJ”，用于微調(diào)輸出電壓的高低。若輸出電壓偏離正常值不多，可通過(guò)調(diào)整UR1，使輸出電壓恢復(fù)正常值;輸出電壓嚴(yán)重偏高時(shí)，引發(fā)SCR受觸發(fā)導(dǎo)通，電路停振，須檢查穩(wěn)壓回路的故障。稍微偏高則可通過(guò)UR1來(lái)調(diào)整。此處故障檢查的重點(diǎn)落在輸出電壓偏低上，應(yīng)檢查穩(wěn)壓回路和Q1工作電流回路的故障。

· 當(dāng)基準(zhǔn)電壓源漏電或擊穿時(shí)，導(dǎo)致電壓反饋信號(hào)上升，輸出PWM脈沖占空比減小，輸出電壓低落;電流采樣電阻R2因引腳氧化或阻值變大時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生輸出電壓過(guò)低的故障;當(dāng)Q1開關(guān)管低效，即使穩(wěn)壓回路正常，也會(huì)導(dǎo)致開關(guān)變壓器T1的儲(chǔ)能減小，輸出電壓過(guò)低。這種故障一般較為少見。

· 〔故障實(shí)例1〕CL-A-35-24儀用DC24V開關(guān)電源，測(cè)輸出為0V。檢查開關(guān)管Q1及輸出電路、穩(wěn)壓電路元件均損壞，上電細(xì)聽無(wú)電路起振聲音。測(cè)U1各腳電壓為0V，懷疑啟動(dòng)電路不良。試在電容C5上并聯(lián)0.22uF電容，上電試機(jī)，輸出正常。摘下原電容，用電容表測(cè)其容量，僅為幾千皮法。故障原因?yàn)镃5失效后，不能提供振蕩芯片U1(>1mA)的啟動(dòng)電流，使電路不能起振工作。

· 〔故障實(shí)例2〕CL-A-35-24儀用DC24V開關(guān)電源，運(yùn)行中 突然損壞。拆開設(shè)備外殼，發(fā)現(xiàn)電容熔斷器FU發(fā)黑燒斷，電源開關(guān)管已經(jīng)炸裂，電流采樣電阻R2已經(jīng)斷路，Q1的柵極電阻R10也已經(jīng)燒毀。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，U1振蕩芯片可能也受沖擊同時(shí)損壞。檢查其它元件沒(méi)有損壞，更換上述損壞元件，上電試機(jī)，輸出24V正常。

· 〔故障實(shí)例3〕CL-A-35-24儀用DC24V開關(guān)電源，無(wú)輸出電壓。上電細(xì)聽有“吱”的一聲，說(shuō)明電路能起振工作，相關(guān)振蕩電路及電源電路均正常。判斷故障在穩(wěn)壓回路或輸出回路。測(cè)輸出回路的D6、C13、C14、SCR等元件均無(wú)異常，檢測(cè)基準(zhǔn)電壓源器件TL1的1、2腳電阻值極小，拆下與好的器件對(duì)測(cè)量，證實(shí)TL1已經(jīng)擊穿損壞。TL1擊穿損壞后，使光耦合器U2導(dǎo)通程度變深，U1的2腳輸入反饋信號(hào)上升，1腳電壓值低于1V，引發(fā)U1內(nèi)容保護(hù)電路動(dòng)作，電路停振。因啟動(dòng)電路中C5此時(shí)已充滿電荷，故不會(huì)產(chǎn)生重新啟動(dòng)動(dòng)作。但重新上電時(shí)，C5的充電電流又會(huì)產(chǎn)生U1的啟動(dòng)電流，使電路起振后再度停振。

· 更換TL1，故障修復(fù)。