專利名稱：增進(jìn)暫態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)壓范圍的交流穩(wěn)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種交流電源的穩(wěn)壓裝置，更確切地說，涉及一種能夠增進(jìn)暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)壓范圍的交流穩(wěn)壓器設(shè)備。
由于工商業(yè)的快速發(fā)展與進(jìn)步，使得電力供應(yīng)日趨緊張，而發(fā)電廠的興建又因土地資源緊張與為時過長而顯得緩不濟(jì)急，因此，每逢夏季用電高峰，或是用戶處于供電網(wǎng)末端時，就會產(chǎn)生電力供應(yīng)不足的情形，造成供電電壓常呈現(xiàn)忽高忽低的不穩(wěn)定狀態(tài)。只有使用一種可穩(wěn)定電壓的電力穩(wěn)壓裝置，將電壓控制在一個頻定電壓，才可保護(hù)用電設(shè)備的正常動作。
目前，通常使用的交流穩(wěn)壓器，依其控制方式的不同大致具有以下幾種型式(1)利用電機(jī)驅(qū)動的自耦變壓器式，該方式雖可產(chǎn)生穩(wěn)定電壓，卻有體積大笨重與反應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)。
(2)磁共振變壓器式利用共振原理穩(wěn)壓，但其工作溫度高、噪音大、體積大、笨重，且過載電流低。
(3)可控硅整流式對電流作相位角控制，缺點(diǎn)是輸出波形有缺角，且諧波失真大，其體積、重量也極笨重。
(4)磁場飽和感應(yīng)式利用變壓器的飽和特性工作，也具有高噪音與笨重、體積大的不便。
(5)跳動式或數(shù)位式輸出電壓為非線性，以階梯跳動方式調(diào)變電壓，穩(wěn)壓率差、反應(yīng)慢，且可靠度低。
(6)移相或放大器式由整流與濾波電路所構(gòu)成，其輸入功率低、效率差、準(zhǔn)確性低。
總之，目前使用的穩(wěn)壓器，普遍具有下列缺陷(1)反應(yīng)速度與暫態(tài)響應(yīng)差機(jī)械式的反應(yīng)速度約為10－30周波不等，電子式的約為3－5周波，磁共振的約為1.5周波，但這幾種型式的動態(tài)輸出阻抗極高，使得其暫態(tài)響應(yīng)差。(2)輸入電壓范圍窄一般電子式僅為±15％，磁共振式約為±20％，使適用性受到限制。(3)穩(wěn)壓率與效率低多數(shù)穩(wěn)壓率雖多可符合1－3％，但因動態(tài)工作電流與動態(tài)輸出阻抗極高，使得效率低下，甚至尚未外接任何負(fù)載，本體已呈高溫狀態(tài)，無法實(shí)際使用。(4)體積與重量普遍有笨重、龐大的缺點(diǎn)。
本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠克服上述缺陷、具有較佳功能與效率的交流穩(wěn)壓器裝置——能增進(jìn)暫態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)壓范圍的交流穩(wěn)壓器。
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的該裝置是由機(jī)殼和控制電路所構(gòu)成，其中控制電路包括有一個輸入低通濾波電路該電路是由電感L11、L12與電容C11、C12、C13和C14所并接組成，后端跨接一個防止低頻干擾的電容C1；一個弦波分離電路由二極管D1與D3并接構(gòu)成，以將輸入的正弦波分離成正、負(fù)半周；一個減壓脈沖寬度調(diào)變電路，主要由晶體管Q1與Q3構(gòu)成，其中Q1的集電極與二極管D1的負(fù)極相連，Q3的射電極與二極管D3的正極相接，Q1、Q3的基極P1、P3可分別外接輸入信號；一個補(bǔ)壓脈沖寬度調(diào)變電路主要是將L1、L2分別連接到Q2的集電極及Q4的射電極，且Q2的射電極也與Q4的集電極相連接，Q2、Q4的基極P2、P4可分別外接輸入信號；一個弦波再組合電路由反相配接的D2與D4組成，以將原先分離的波形組合還原成交流弦波，后端跨接有一個高頻濾波電容；一個輸出低通濾波電路由電感LO1、LO2和電容CO1、CO2、CO3、CO4所組成；一個誤差比較電路是將由交流正弦波發(fā)生器(OSC)所產(chǎn)生的低失真的交流正弦標(biāo)準(zhǔn)波形與市電的電源頻率同步并鎖相(PLL)后的交流正弦標(biāo)準(zhǔn)波與交流穩(wěn)壓器的反饋信號(LO、NO)進(jìn)行誤差比較，再將所取得的誤差修正信號另外與高頻三角波產(chǎn)生器所產(chǎn)生的高頻三角波信號，經(jīng)比較器比較后，獲取隨市電高低快速變化的高頻脈寬調(diào)變信號；其特征在于輸入的交流市電電源先與輸入低通濾波電路相連接，再接弦波分離電路，將其分離成正、負(fù)半周波形輸出，其后側(cè)順序接有減壓脈寬調(diào)變電路和補(bǔ)壓脈寬調(diào)變電路；上述兩個脈寬調(diào)變電路中的四個開關(guān)晶體管的基極則分別與上述誤差比較電路的輸出端相連接，以便對輸入電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p壓或補(bǔ)壓后輸出之后再與弦波再組合電路及輸出低通濾波電路順序連接后輸出額定穩(wěn)壓電源。
上述開關(guān)晶體管Q1與Q3可以采用絕緣基極晶體管、普通晶體管或場效應(yīng)晶體管。上述開關(guān)晶體管Q2與Q4可以采用絕緣基極晶體管、普通晶體管或場效應(yīng)晶體管；如用場效應(yīng)晶體管時，須在其漏極或源極上串接一個順向二極管。上述電感線圈L1、L2是用于濾波及升壓作用的。該裝置是將交流市電電源經(jīng)弦波分離電路先分離成正、負(fù)半周后，再分別進(jìn)行穩(wěn)壓的。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)是其控制電路將市電電壓先分離成正、負(fù)半周、通過開關(guān)晶體管、電容和電感，配合脈寬調(diào)變來實(shí)現(xiàn)減壓或補(bǔ)壓作用，其動態(tài)內(nèi)阻低，有較佳的暫態(tài)響應(yīng)、效率與穩(wěn)壓率。由于采用增加減壓或補(bǔ)壓的工作電壓，使其穩(wěn)壓范圍可超過±50％，實(shí)現(xiàn)更寬的輸入電壓穩(wěn)定范圍。再者，由于摒棄傳統(tǒng)式變壓器，改用輕巧的開關(guān)晶體管與電感、電容等元件，使得其體積與重量大大減小。通常電感與變壓器是交流穩(wěn)壓器構(gòu)件中最占體積、重量與成本的元件，本實(shí)用新型所使用的電感約僅占磁共振式的5％。舉例而言，當(dāng)輸出設(shè)計(jì)為1KVA時，本實(shí)用新型體積約為50mm×45mm×45mm，重量僅約270克，由此可見其整體體積、重量與成本皆大幅降低。


圖1為本實(shí)用新型的控制電路方框圖。
圖2為本實(shí)用新型的控制電原理圖。
圖3為本實(shí)用新型的開關(guān)晶體管與線圈的動作狀態(tài)圖。
圖4為本實(shí)用新型實(shí)施的誤差比較方框圖。
圖5為本實(shí)用新型的減壓波形圖。
圖6為本實(shí)用新型的補(bǔ)壓波形圖。
圖7為本實(shí)用新型的中Q2、Q3以場效應(yīng)晶體管實(shí)施時應(yīng)外接一個順向二極管的接線圖。
參閱圖1、圖2，本實(shí)用新型主要是由機(jī)殼和控制電路所組成，其中控制電路是由輸入低通濾波器11、弦波分離電路12、減壓寬度調(diào)變電路13、補(bǔ)壓寬度調(diào)變電路14、弦波再組合電路15以及輸出低通濾波電路16所組成，交流市電由L1、N1端輸入；其中輸入低通濾波電路11是由電感L11、L12與電容C11、C12、C13和C14并接組成，后端跨接一個電容C1，其作用是防止低頻干擾。再通過二極管D1與D3的并接，使輸入的正弦波分離成正、負(fù)半周；而D1的負(fù)極則與減壓寬度調(diào)變電路13的Q1集電極相連，D3的正極則與Q3的射電極相接。補(bǔ)寬調(diào)變電路14主要是將L1連接到Q2的集電極，L2連接在Q4的射電極，且Q2的射電極也與Q4的集電極相連。再利用D2與D4的反相配置將原先分離的波形進(jìn)行組合還原成正弦波，其后跨接有一個高頻濾波電容C2，后端還并接有由LO1、LO2、CO1、CO2、CO3與CO4所組成的低通濾波電路16。其中開關(guān)晶體管Q1、Q2、Q3與Q4以絕緣基極晶體管為最佳，其基極分別備有P1、P2、P3與P4等輸入端，以便當(dāng)市電過高或過低時，經(jīng)誤差比較電路比較后的調(diào)變信號輸入。
參閱圖4，誤差比較電路是由交流正弦波產(chǎn)生器(OSC)先振蕩出低失真的交流正弦波，與市電的電源頻率取得同步并鎖相(PLL)后，利用此交流正弦標(biāo)準(zhǔn)波直接與交流穩(wěn)壓器的反饋信號(LO、NO)作誤差比較，一旦反饋信號(LO、NO)稍有誤差，便能及時取得誤差修正信號42，將該誤差修正信號42與高頻三角波發(fā)生器43所產(chǎn)生的高頻三角波信號44經(jīng)比較后，取得隨市電高低快速變化的高頻脈沖寬度調(diào)變信號(PWM)，以便實(shí)時進(jìn)行補(bǔ)壓或減壓動作。通過這種方式，可在當(dāng)市電電壓忽高忽低發(fā)生突變時，僅在一毫秒內(nèi)就可控制幾十個脈沖信號，實(shí)時進(jìn)行補(bǔ)正或減壓操作，以符合瞬息萬變的電壓變化，由于該誤差比較技術(shù)不是本實(shí)用新型的主要專利范疇，故不多作贅述。
再參閱圖3、圖5，當(dāng)市電電源(L1)高過額定值時，經(jīng)由D1與D3分離成正半周A與負(fù)半周B，由于需要減壓，正半周A經(jīng)開關(guān)晶體管Q1時，Q1的基極P1輸入一個反脈沖寬度的調(diào)變信號P1－PE1(圖3標(biāo)注為反PWM)，而負(fù)半周B送至Q3，在Q3的基極P3也輸入一個反脈沖寬度的調(diào)變信號P3－PE3，對其進(jìn)行高頻切割，使上述正負(fù)半周A、B轉(zhuǎn)換成經(jīng)過減壓寬度調(diào)變電路13調(diào)變處理的電壓C、D(參見圖2)，再分別通過L1與L2對C2作濾波與充龜，使輸出成為所需的低頻交流電，然后，再通過弦波組合電路15將其組合還原成所需的標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓LO。此時Q2與Q4為OFF狀態(tài)，其基極電壓P2－PE2，P4－PE4皆為低電位。
反之，當(dāng)市電電源L1’低于額定值時，其波形如圖6所示，經(jīng)由D1與D3分離成正半周A’與負(fù)半周B’，正半周A’分為兩個回路其一為L1－L11－D1－Q1－L1－Q2－L12－N1，其高頻正半周對L1作儲能；另一回路為L1－L11－D1－Q1－L1－D2－LO1－LO－NO－LO2－L12－N1，該高頻正半周作電感曳能，對C2充電，以使C2的電壓能升至額定電壓，此時Q3、Q4的基極電壓(P3－PE3，P4－PE4’)為低電壓，故Q3、Q4為OFF狀態(tài)；而Q1的基極為高電位P1－PE1’，使得Q1呈ON狀態(tài)，而Q2的基極則輸入一個脈沖寬度調(diào)變信號(P2－PE2’)。
負(fù)半周B’也分為兩個回路其一為L1－L11－D3－Q3－L2－Q4－L12－N1，其高頻負(fù)半周對L2作電感儲能，其儲能的多少依輸入市電電壓與穩(wěn)壓器輸出電壓的誤差而定，若相差愈多，則需要多的補(bǔ)壓，因而脈沖寬度愈寬，儲能便愈大；而另一回路為L1－L11－D3－Q3－L2－Q4－L12－N1，該L2的儲能能量也曳放在C2，以使該負(fù)半周B’的電壓能夠提升到額定電壓，此時，Q1、Q2為OFF狀態(tài)，基極輸入電壓為低電位，而Q3的基極P3為高電位(P3－PE3’)，故Q3為ON狀態(tài)，至于Q4的基極P4則輸入脈沖寬度調(diào)變信號(P4－PE4’)，經(jīng)脈寬調(diào)變后的正、負(fù)半周電壓波形分別如圖6的E、F所示(注此為無C2時的波形圖)，最后經(jīng)由弦波再組合電路15將其組合還原成所需的額定弦波電壓LO’而完成補(bǔ)壓動作。
補(bǔ)充說明的是，開關(guān)晶體管Q1、Q2、Q3、Q4雖然在上文中是以絕緣基極晶體管作說明的，但也可以采用普通晶體管或是場效應(yīng)晶體管來取代之，只是若Q2、Q4以場效應(yīng)晶體管取代時，其源極與漏極還需串接一個(正向)二極管方可為之(如圖7所示)。
總之，本實(shí)用新型是先將市電電壓分離成正、負(fù)半周，用開關(guān)晶體管等元件對輸入的正弦波分別予以補(bǔ)壓或減壓后，再組合還原成一個穩(wěn)定的額定電壓輸出，完全摒棄以往采用變壓器等元件有反應(yīng)速度慢、暫態(tài)響應(yīng)差、穩(wěn)壓率與效率低，且體積重量極為笨重的缺憾，具有動態(tài)輸出阻抗低、反應(yīng)快、穩(wěn)壓率與效率高、暫態(tài)響應(yīng)佳等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求1.一種增進(jìn)暫態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)壓范圍的交流穩(wěn)壓器，是由機(jī)殼和控制電路所構(gòu)成，其中控制電路包括有一個輸入低通濾波電路該電路是由電感L11、L12與電容C11、C12、C13和C14所并接組成，后端跨接一個防止低頻干擾的電容C1；一個弦波分離電路由二極管D1與D3并接構(gòu)成，以將輸入的正弦波分離成正、負(fù)半周；一個減壓脈沖寬度調(diào)變電路，主要由晶體管Q1與Q3構(gòu)成，其中Q1的集電極與二極管D1的負(fù)極相連，Q3的射電極與二極管D3的正極相接，Q1、Q3的基極P1、P3可分別外接輸入信號；一個補(bǔ)壓脈沖寬度調(diào)變電路主要是將L1、L2分別連接到Q2的集電極及Q4的射電極，且Q2的射電極也與Q4的集電極相連接，Q2、Q4的基極P2、P4可分別外接輸入信號；一個弦波再組合電路由反相配接的D2與D4組成，以將原先分離的波形組合還原成交流弦波，后端跨接有一個高頻濾波電容；一個輸出低通濾波電路由電感LO1、LO2和電容CO1、CO2、CO3、CO4所組成；一個誤差比較電路是將由交流正弦波發(fā)生器(OSC)所產(chǎn)生的低的失真的交流正弦標(biāo)準(zhǔn)波形與市電的電源頻率同步并鎖相(PLL)后的交流正弦標(biāo)準(zhǔn)波與交流穩(wěn)壓器的反饋信號(LO、NO)進(jìn)行誤差比較，再將所取得的誤差修正信號另外與高頻三角波產(chǎn)生器所產(chǎn)生的高頻三角波信號，經(jīng)比較器比較后，獲取隨市電高低快速變化的高頻脈寬調(diào)變信號；其特征在于輸入的交流市電電源先與輸入低通濾波電路相連接，再接弦波分離電路，將其分離成正、負(fù)半周波形輸出，其后側(cè)順序接有減壓脈寬調(diào)變電路和補(bǔ)壓脈寬調(diào)變電路；上述兩個脈寬調(diào)變電路中的四個開關(guān)晶體管的基極則分別與上述誤差比較電路的輸出端相連接，以便對輸入電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p壓或補(bǔ)壓后輸出之后再與弦波再組合電路及輸出低通濾波電路順序連接后輸出額定穩(wěn)壓電源。
2.如權(quán)利要求1所述的交流穩(wěn)壓器，其特征在于上述開關(guān)晶體管Q1與Q3可以采用絕緣基極晶體管、普通晶體管或場效應(yīng)晶體管。
3.如權(quán)利要求1所述的交流穩(wěn)壓器，其特征在于上述開關(guān)晶體管Q2與Q4可以采用絕緣基極晶體管、普通晶體管或場效應(yīng)晶體管；如用場效應(yīng)晶體管時，須在其漏極或源極上串接一個順向二極管。
4.如權(quán)利要求1所述的交流穩(wěn)壓器，其特征在于上述電感線圈L1、L2是用于濾波及升壓作用的
5.如權(quán)利要求1所述的交流穩(wěn)壓器，其特征在于該裝置是將交流市電電源經(jīng)弦波分離電路先分離成正、負(fù)半周后，再分別進(jìn)行穩(wěn)壓的。
專利摘要一種增進(jìn)暫態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)壓范圍的交流穩(wěn)壓器，是由低通濾波電路、弦波分離電路、減壓調(diào)寬電路、補(bǔ)正調(diào)寬電路、弦波再組合電路、和輸出低通濾波電路所組成；先將市電電壓分離成正負(fù)半周，利用開關(guān)晶體管、電容、電感等元件，對輸入電壓分別進(jìn)行補(bǔ)正或減壓后，再還原成穩(wěn)定的額定弦波輸出；具有動態(tài)輸出阻抗低、反應(yīng)快、穩(wěn)壓率與暫態(tài)響應(yīng)佳，且穩(wěn)壓范圍寬廣的特性。特別適用于啟動頻繁，對電壓穩(wěn)定性要求嚴(yán)格的產(chǎn)品。
文檔編號G05F1/10GK2216265SQ9520634
公開日1995年12月27日 申請日期1995年3月23日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月23日
發(fā)明者林輝記 申請人:林輝記