三端稳压器在宽域稳压电路中的应用

2014-06-01

中国设备工程 2014年5期

关键词：稳压器稳压探查

（1.日照职业技术学院机电工程学院，山东日照 2768 26；2. 新汶矿业集团有限责任公司，山东新泰 271219）

三端稳压器在宽域稳压电路中的应用

吴健1，张华忠1，贾仟伟1，吴伟2

（1.日照职业技术学院机电工程学院，山东日照 2768 26；2. 新汶矿业集团有限责任公司，山东新泰 271219）

以无人值守的野外光伏泵站为例，讲述了利用通过开关电源和三端稳压器进行不同的电路组合实现电压扩展，构建起100V以下的各种太阳能电源、蓄电池电源应用的控制电源。

三端稳压器；宽域稳压电路；特种能源

国民经济的持续健康快速发展离不开能源，许多用于开发特种能源的设备的控制系统必须在稳定的电源下才能正常工作。市售的开关电源大多稳压特性不是很好，易对电路的正常工作造成干扰，并且一般只能工作在市电情况下。

一、三端稳压器构建宽域稳压电路

三端稳压器具有较宽的工作电压范围，适用电5～16V，消耗电流小，78、79系列三端稳压器有多种规格，最大电流为1．5A。一般能满足一个较大规模的控制电路的要求。对它们进行不同的电路组合进行电压扩展，就可以构建起100V以下各种特种能源的控制电源。

图1所示的电路，适用于30V以下的太阳能或蓄电池电源，最高输入电压可接近40V（40V是7824三端稳压器可承受的极限电压）。

图1 0～40V控制电源的一种基本搭配

一个标称值为30V的太阳能光伏板，其开路电压接近39V，用图1所示的电路作为控制电源一般是妥当的。当输入电压从零开始上升时，输出端电压随之上升。输入端电压上升至18．6V以上时，输出端的电压稳定在15V不变。工程中通常使用的信号变送器、接近开关等一般使用24V直流电压，而且对电压值的要求并不严格，一般18～30V之间都能正常工作。15V的稳定电压用作分析判断和控制电路。其中的C11、C13、C15是稳压模块要求的最小匹配电容，也是滤除高频干扰的必须电容。C12、C14、C16是低频滤波电容，依负载大小而定，本文标示的数值仅作参考。一般一百至几百μf，前级应大于后级，防止断电后电流逆向通过稳压模块。D11、D12是用于防止输入端断电时电流向VR1、VR2反流的补充措施。

TR1如果选用IRF530场效应管，由于它有2．7V的导通阀值，与VW1（41V）稳压管配合，将在源极得到最高接近39V的电压，使后级的稳压器VR22（7824）始终处于安全工作电压之内。理论上，图2所示的输入电压还可以更高，但随着输入电压的升高，TR1的发热会更严重，必须配备合适的散热片。电路中的R3和J1是为降低TR1的热量而设，适用于工作电流较大或输入电压较高的场合。通过分析电路，测得输入电压高于某一定值时，使继电器触点J1断开，由R3分担部分热量。对于一个标称电压56V的光伏太阳能板而言，其开路电压将达到大约72V。当电压从0升至23V时，太阳光线还很弱，尚不能提供有效的工作能量。而这时，其工作系统的控制器已经被激活。图2所示的电源能与这样的光伏板实现较好的配合。

图2 以源极输出器为前级的稳压电源

在图2源极输出器的构成中，VW1决定该输出器的最高输出电压，R2用于防止VW1未击穿时的TR1栅极悬空，VW2防止TR1栅极电压超高，C27对VW1进行噪声滤波。

图3所示的电路是一个市售的开关电源与一个7815三端稳压器配合而构建的控制电源。开关电源的标称输入电压是交流100～240V，标称输出电流是1．1A（或2．2A）。按图3将输入电压的正极接开关电源的L端子，输入电源的零线接N端子。再将N端子与输出端的零端子连接，实现输入与输出共零。共零连接会使测量得到简化。当输入端电压从0升至27V时，开关电源启动并具有24V200mA以上的负荷能力。当然，低输入电压下达不到额定负荷能力。但作为控制电源，此时提供的电流电压已经足够。经三端稳压器7815再次稳压，获得理想的15V电压。对于标称电压60V以上的光伏太阳能板来说，光伏板电压从0升至空载27V时，其能量还很小，这时激活控制器实施管理和控制一般是可行的。

图3 一种开关电源与三端稳压器相搭配的稳压电源

开关电源的端子FG用于与市电的地线连接以消除强电工作状态下的感应静电和电磁辐射。在直流低电压条件下工作，感应静电和电磁辐射很弱，不对人身和环境产生不利影响，该端子可不接线。该端子与机壳是连通的，必要时可与大地连通，以消除机壳任何可能的静电。

二、实例

图4展示了一例野外无人值守的太阳能光伏泵站的完整设计：采用单相交流50Hz220V电源的普通水泵，利用太阳能光伏板提供的能量，将低处的水提升到高处。基本配置是：9块太阳能光伏板按3串3并组合、1个逆变器、1个充电器、1组蓄电池、1个控制电源、1个标称R1的等效负载电阻、1个标称T1的输出12V3W的反馈变压器、1个以三端稳压器、集成运放、400电路为主搭建的管理控制器（图4虚线框内的电路）、工作开关及接触器。

每块光伏板最大功率点电压32V，电流7．5A，开路电压40．8V。

整个系统的控制电源采用图3所示的输出24V2．2A开关电源。该24V电源在管理控制器内经过VR1（稳压块7815）再次稳压后供分析判断管理电路使用。

另外，教师在实践中要引导学生自己摸索实验条件，想办法改进操作方法。例如，某小组探究“绿色蔬菜变黄过程中色素的变化”，预计提取、分离新鲜和放置变黄后的菠菜叶中的色素进行比较，但时值5月，菠菜放在冰箱，没变太黄前就腐烂了，教师要引导学生分析原因，摸索储存条件，或探寻其他的实验方法。某小组探究“红花檵木紫色叶片中的色素种类”设计了用清水纸层析分离色素的实验组。实验过程中发现，滤纸条吸水后变软变重，会贴壁或倒入水中。因此，不能像平时实验中那样把滤纸条靠在试管或小烧杯壁上，学生自主进行了改进：使用试管架和夹子把滤纸条固定并吊在液面上方，保证下端没入水中而不会整根滤纸条倒入水中。

其工作机理是，当光伏板提供的电压越过控制电源的启动阀值后，管理控制器得电，接触器KM3以间断35s接通1s的循环往复探查太阳能光伏板的能量状况。若接连7次探查都符合启动条件，便开始水泵启动程序：接触器KM1接通逆变器输入电源；KM2辅助触点接通使逆变器启动；KM2主触点接通将蓄电池电源接到逆变器，使蓄电池与光伏电源并联供电以弥补启动时光伏板的供电不足。3s后KM2断开，启动过程结束，转入正常运行。在运行过程中如果光伏板供电不足，KM1自动断开，管理控制器再次进入对光伏板能量的循环探查程序。

管理控制器由一个四运放集成电路LM324（图上代号IC1）和一个10进计数器CD4017（图上代号IC2）及其外围电路构成。由稳压块7815提供的15V供电，其电流约10mA。

图4 一个无人值守的光伏太阳能提水泵站

图4中IC1的1、2、3脚及其外围元件构成能量检测电路。在达到水泵启动条件之前，检测F3端子上的电压；在水泵运行时检测反馈变压器从端子F1、F2输入的反馈电压。如果被检测的电压〈设定值，则表明光伏板能量不足，IC1的第1脚输出高电平；如果被测电压≥设定值，表明光伏板能量足够，IC1的第1脚输出零电平。

IC1的5、6、7脚及外围电路构成振荡器。在达到水泵启动条件之前，每隔35s第7脚产生一个1s的高电位探查脉冲，使KM3接通1s，将光伏电压加到管理控制器的F3端子。等效负荷R1接在F3端子和电位零点之间，R1上的电流与逆变器满负荷运行时的输入电流相等。端子F3呈现的电压是光伏板满载时的电压值。

IC1第7脚的探查脉冲还直接送到IC2的第13脚使CD4017计数器在探查脉冲跌落时进行“加1”计数；探查脉冲还通过R9和C10送到IC1的第13脚，在脉冲跌落时触发由IC1的12、13、14脚及外围元件构成的“清零”电路，使其14脚出现清零脉冲。

清零脉冲能否送到IC2的第15脚使IC2清零，取决于能量检测电路。在水泵启动条件达到以前如果光伏板能量不足，IC1的第1脚为高电位，则清零脉冲通过D11被送到IC2第15脚进行清零；如果光伏板能量足够，IC1第1脚电位为零，第14脚输出的清零脉冲经过R23后被消除，计数器的“加1”计数生效。

当计数器递加到“7”时，IC2第6脚由零翻转为高电位，导致如下结果。

(1)泵运行接触器KM1吸合。

(2)触发由IC1的8、9、10脚及外围元件构成的单稳触发器，使其输出在3s后由高电位翻为零，从而使KM2吸通3s完成泵启动程序。

(3)封锁探查脉冲使其保持零态。

IC2的“加1”计数从零递加到7（也可设为其他数字），经过了大约4min的7次成功计数。基本可判定光伏板接受的阳光是连续的，而不是乱云飞渡的云缝中透射的。

水泵启动后IC1第8脚保持的零态使IC1的第14脚输出高电位，准备计数器清零。若F1、F2端子上的反馈电压足够，则IC1的第1脚为零，使IC1第14脚的高电位清零作用失效；若反馈电压不足，则IC1第1脚为高电位，导致计数器清零，从而使泵的运转停止，系统返回到光伏板能量探查状态。

本系统的充电器能适应更大的输入电压范围，能保证蓄电池时刻处于电满状态。

需要特别指明的是，这里使用的手动开关、接触器等开关元件必须符合现场直流电压的要求。直流电路的断电较为困难，一个交流开关元件，如果耐受的额定交流电压为250V，它可耐受的直流电压一般不超过30V。勉强地将交流开关部件用于直流电路很可能导致断电失败酿成事故。