三端穩壓器在寬域穩壓電路中的應用

（1.日照職業技術學院機電工程學院，山東 日照 2768 26；2. 新汶礦業集團有限責任公司，山東 新泰 271219）

三端穩壓器在寬域穩壓電路中的應用

吳 健1，張華忠1，賈仟偉1，吳 偉2

（1.日照職業技術學院機電工程學院，山東 日照 2768 26；2. 新汶礦業集團有限責任公司，山東 新泰 271219）

以無人值守的野外光伏泵站為例，講述了利用通過開關電源和三端穩壓器進行不同的電路組合實現電壓擴展，構建起100V以下的各種太陽能電源、蓄電池電源應用的控制電源。

三端穩壓器；寬域穩壓電路；特種能源

國民經濟的持續健康快速發展離不開能源，許多用于開發特種能源的設備的控制系統必須在穩定的電源下才能正常工作。市售的開關電源大多穩壓特性不是很好，易對電路的正常工作造成干擾，并且一般只能工作在市電情況下。

一、三端穩壓器構建寬域穩壓電路

三端穩壓器具有較寬的工作電壓范圍，適用電5～16V，消耗電流小，78、79系列三端穩壓器有多種規格，最大電流為1．5A。一般能滿足一個較大規模的控制電路的要求。對它們進行不同的電路組合進行電壓擴展，就可以構建起100V以下各種特種能源的控制電源。

圖1所示的電路，適用于30V以下的太陽能或蓄電池電源，最高輸入電壓可接近40V（40V是7824三端穩壓器可承受的極限電壓）。

圖1 0～40V控制電源的一種基本搭配

一個標稱值為30V的太陽能光伏板，其開路電壓接近39V，用圖1所示的電路作為控制電源一般是妥當的。當輸入電壓從零開始上升時，輸出端電壓隨之上升。輸入端電壓上升至18．6V以上時，輸出端的電壓穩定在15V不變。工程中通常使用的信號變送器、接近開關等一般使用24V直流電壓，而且對電壓值的要求并不嚴格，一般18～30V之間都能正常工作。15V的穩定電壓用作分析判斷和控制電路。其中的C11、C13、C15是穩壓模塊要求的最小匹配電容，也是濾除高頻干擾的必須電容。C12、C14、C16是低頻濾波電容，依負載大小而定，本文標示的數值僅作參考。一般一百至幾百μf，前級應大于后級，防止斷電后電流逆向通過穩壓模塊。D11、D12是用于防止輸入端斷電時電流向VR1、VR2反流的補充措施。

TR1如果選用IRF530場效應管，由于它有2．7V的導通閥值，與VW1（41V）穩壓管配合，將在源極得到最高接近39V的電壓，使后級的穩壓器VR22（7824）始終處于安全工作電壓之內。理論上，圖2所示的輸入電壓還可以更高，但隨著輸入電壓的升高，TR1的發熱會更嚴重，必須配備合適的散熱片。電路中的R3和J1是為降低TR1的熱量而設，適用于工作電流較大或輸入電壓較高的場合。通過分析電路，測得輸入電壓高于某一定值時，使繼電器觸點J1斷開，由R3分擔部分熱量。對于一個標稱電壓56V的光伏太陽能板而言，其開路電壓將達到大約72V。當電壓從0升至23V時，太陽光線還很弱，尚不能提供有效的工作能量。而這時，其工作系統的控制器已經被激活。圖2所示的電源能與這樣的光伏板實現較好的配合。

圖2 以源極輸出器為前級的穩壓電源

在圖2源極輸出器的構成中，VW1決定該輸出器的最高輸出電壓，R2用于防止VW1未擊穿時的TR1柵極懸空，VW2防止TR1柵極電壓超高，C27對VW1進行噪聲濾波。

圖3所示的電路是一個市售的開關電源與一個7815三端穩壓器配合而構建的控制電源。開關電源的標稱輸入電壓是交流100～240V，標稱輸出電流是1．1A（或2．2A）。按圖3將輸入電壓的正極接開關電源的L端子，輸入電源的零線接N端子。再將N端子與輸出端的零端子連接，實現輸入與輸出共零。共零連接會使測量得到簡化。當輸入端電壓從0升至27V時，開關電源啟動并具有24V200mA以上的負荷能力。當然，低輸入電壓下達不到額定負荷能力。但作為控制電源，此時提供的電流電壓已經足夠。經三端穩壓器7815再次穩壓，獲得理想的15V電壓。對于標稱電壓60V以上的光伏太陽能板來說，光伏板電壓從0升至空載27V時，其能量還很小，這時激活控制器實施管理和控制一般是可行的。

圖3 一種開關電源與三端穩壓器相搭配的穩壓電源

開關電源的端子FG用于與市電的地線連接以消除強電工作狀態下的感應靜電和電磁輻射。在直流低電壓條件下工作，感應靜電和電磁輻射很弱，不對人身和環境產生不利影響，該端子可不接線。該端子與機殼是連通的，必要時可與大地連通，以消除機殼任何可能的靜電。

二、實例

圖4展示了一例野外無人值守的太陽能光伏泵站的完整設計：采用單相交流50Hz220V電源的普通水泵，利用太陽能光伏板提供的能量，將低處的水提升到高處。基本配置是：9塊太陽能光伏板按3串3并組合、1個逆變器、1個充電器、1組蓄電池、1個控制電源、1個標稱R1的等效負載電阻、1個標稱T1的輸出12V3W的反饋變壓器、1個以三端穩壓器、集成運放、400電路為主搭建的管理控制器（圖4虛線框內的電路）、工作開關及接觸器。

每塊光伏板最大功率點電壓32V，電流7．5A，開路電壓40．8V。

整個系統的控制電源采用圖3所示的輸出24V2．2A開關電源。該24V電源在管理控制器內經過VR1（穩壓塊7815）再次穩壓后供分析判斷管理電路使用。

另外，教師在實踐中要引導學生自己摸索實驗條件，想辦法改進操作方法。例如，某小組探究“綠色蔬菜變黃過程中色素的變化”，預計提取、分離新鮮和放置變黃后的菠菜葉中的色素進行比較，但時值5月，菠菜放在冰箱，沒變太黃前就腐爛了，教師要引導學生分析原因，摸索儲存條件，或探尋其他的實驗方法。某小組探究“紅花檵木紫色葉片中的色素種類”設計了用清水紙層析分離色素的實驗組。實驗過程中發現，濾紙條吸水后變軟變重，會貼壁或倒入水中。因此，不能像平時實驗中那樣把濾紙條靠在試管或小燒杯壁上，學生自主進行了改進：使用試管架和夾子把濾紙條固定并吊在液面上方，保證下端沒入水中而不會整根濾紙條倒入水中。

其工作機理是，當光伏板提供的電壓越過控制電源的啟動閥值后，管理控制器得電，接觸器KM3以間斷35s接通1s的循環往復探查太陽能光伏板的能量狀況。若接連7次探查都符合啟動條件，便開始水泵啟動程序：接觸器KM1接通逆變器輸入電源；KM2輔助觸點接通使逆變器啟動；KM2主觸點接通將蓄電池電源接到逆變器，使蓄電池與光伏電源并聯供電以彌補啟動時光伏板的供電不足。3s后KM2斷開，啟動過程結束，轉入正常運行。在運行過程中如果光伏板供電不足，KM1自動斷開，管理控制器再次進入對光伏板能量的循環探查程序。

管理控制器由一個四運放集成電路LM324（圖上代號IC1）和一個10進計數器CD4017（圖上代號IC2）及其外圍電路構成。由穩壓塊7815提供的15V供電，其電流約10mA。

圖4 一個無人值守的光伏太陽能提水泵站

圖4中IC1的1、2、3腳及其外圍元件構成能量檢測電路。在達到水泵啟動條件之前，檢測F3端子上的電壓；在水泵運行時檢測反饋變壓器從端子F1、F2輸入的反饋電壓。如果被檢測的電壓〈設定值，則表明光伏板能量不足，IC1的第1腳輸出高電平；如果被測電壓≥設定值，表明光伏板能量足夠，IC1的第1腳輸出零電平。

IC1的5、6、7腳及外圍電路構成振蕩器。在達到水泵啟動條件之前，每隔35s第7腳產生一個1s的高電位探查脈沖，使KM3接通1s，將光伏電壓加到管理控制器的F3端子。等效負荷R1接在F3端子和電位零點之間，R1上的電流與逆變器滿負荷運行時的輸入電流相等。端子F3呈現的電壓是光伏板滿載時的電壓值。

IC1第7腳的探查脈沖還直接送到IC2的第13腳使CD4017計數器在探查脈沖跌落時進行“加1”計數；探查脈沖還通過R9和C10送到IC1的第13腳，在脈沖跌落時觸發由IC1的12、13、14腳及外圍元件構成的“清零”電路，使其14腳出現清零脈沖。

清零脈沖能否送到IC2的第15腳使IC2清零，取決于能量檢測電路。在水泵啟動條件達到以前如果光伏板能量不足，IC1的第1腳為高電位，則清零脈沖通過D11被送到IC2第15腳進行清零；如果光伏板能量足夠，IC1第1腳電位為零，第14腳輸出的清零脈沖經過R23后被消除，計數器的“加1”計數生效。

當計數器遞加到“7”時，IC2第6腳由零翻轉為高電位，導致如下結果。

(1)泵運行接觸器KM1吸合。

(2)觸發由IC1的8、9、10腳及外圍元件構成的單穩觸發器，使其輸出在3s后由高電位翻為零，從而使KM2吸通3s完成泵啟動程序。

(3)封鎖探查脈沖使其保持零態。

IC2的“加1”計數從零遞加到7（也可設為其他數字），經過了大約4min的7次成功計數。基本可判定光伏板接受的陽光是連續的，而不是亂云飛渡的云縫中透射的。

水泵啟動后IC1第8腳保持的零態使IC1的第14腳輸出高電位，準備計數器清零。若F1、F2端子上的反饋電壓足夠，則IC1的第1腳為零，使IC1第14腳的高電位清零作用失效；若反饋電壓不足，則IC1第1腳為高電位，導致計數器清零，從而使泵的運轉停止，系統返回到光伏板能量探查狀態。

本系統的充電器能適應更大的輸入電壓范圍，能保證蓄電池時刻處于電滿狀態。

需要特別指明的是，這里使用的手動開關、接觸器等開關元件必須符合現場直流電壓的要求。直流電路的斷電較為困難，一個交流開關元件，如果耐受的額定交流電壓為250V，它可耐受的直流電壓一般不超過30V。勉強地將交流開關部件用于直流電路很可能導致斷電失敗釀成事故。

三、結語

太陽能光伏板、風電及多種電池性電源的大量應用已經擺在我們面前。為幅度變化大的低壓電源構建管理、控制所需的穩壓電源和配套的管理控制器已成我們的常遇課題。

本文中展示的電源模式和應用舉例是一己之見，實踐中將面對更大的空間。可以通過更好的組合和創新使能源得到更充分利用。

[1] 閆福軍，梁永春． 一種光伏發電系統中輔助電源設計[J]． 電力電子技術，2010(8)：14-16．

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2014-02-13）