直流穩壓電源常見故障分析與排查

凌云峰，張晨亮，孫艷麗，畢 濤

（海軍航空工程學院 基礎實驗部，山東 煙臺264001）

在現代工業控制電路、電子設備、儀器儀表中使用了大量半導體器件，這些半導體器件需要幾伏到幾十伏的直流供電，大多數電子設備的直流供電方法都是將交流電源經過變壓、整流、濾波、穩壓等變換為所需的直流電壓，完成這種變換任務的電源稱為直流穩壓電源[1]。

隨著電力電子技術的迅速發展，軍用以及民用各個領域如教學、科研、生產及維修中大范圍的使用直流穩壓電源，直流穩壓電源是電子技術常用的基本元件，也是大部分現代化電子儀器，各種電子設備的重要組成部分。 根據對以往針對電子設備故障的統計學分析，其故障超過半數以上是由于直流穩壓電源的故障造成的，電源一旦發生故障，往往會引起整臺設備的癱瘓，造成巨大的經濟損失或人員傷亡，故直流穩壓電源的可靠性應該受到更高的重視。

我院電工電子實驗中心的所有實驗設備中幾乎都包含有直流穩壓電源單元，并且還為數字實驗室、低頻實驗室、高頻實驗室、 電子線路實踐實驗室相應配備了130 臺CA18303D 型直流穩壓電源，以供學生學習和使用。 實驗室裝置完好率是實驗教學保障的重要指標，能否及時發現并排除實驗設備故障，是保證實驗教學質量的重要環節[2]。 本項目基于實驗室這一有利平臺，針對實驗設備使用率高，故障頻繁的特點， 將實驗設備維修經驗與學員實驗報告的數據分析有機結合，重點研究直流穩壓電源常見故障的分析與排查方法，根據設備的健康狀況實施及時有效的設備檢修， 不僅提高了實驗課質量、節約經費，同時也能為今后大型裝備中的電源維修與保障打下基礎。

1 直流穩壓電源的簡要工作原理

直流穩壓電源按照穩壓原理來分， 一般又包括串聯穩壓電源和開關穩壓電源兩大類。 兩類直流穩壓電源各有其優缺點：串聯穩壓電源電路簡單，紋波小，但效率低。開關穩壓電源效率高、體積小，但電路復雜，對周圍的電子系統影響大。 目前，開關穩壓電源的應用越來越廣泛[3]。

1.1 串聯直流穩壓電源的基本原理

串聯式直流穩壓電源的電路形式多種多樣， 但從本質上看都有其相似性。 一般的串聯式直流穩壓電源的組成框圖如圖1 所示。

一般情況，直流穩壓電源的輸出電壓較低，而交流輸入電壓一般為市電的220 V 左右， 因此首先需要一個功率滿足要求的工頻變壓器來將220 V 電壓降低到適當的幅度， 然后再采用整流橋或整流二極管構成的橋式電路進行整流， 再經電容濾波， 最后經集成穩壓器或由三極管等電路構成的串聯穩壓電路進行穩壓，得到所需的直流輸出電壓[4]。

圖1 串聯式直流穩壓電源的組成框圖Fig. 1 The block diagram of the series DC regulated power supply

比較典型的串聯直流穩壓電源如圖2 所示。

圖2 中未給出變壓器電路， 只給出了從整流橋往后的電路原理。 圖中的7805 是很常用的串聯穩壓電路， 輸出電壓為+5 V，輸出電流最大為1 A。

圖2 +5 V 輸出的串聯直流穩壓電源電路原理圖Fig.2 Structure diagram of +5V DC power supply

由于工頻頻率低，因此，當要傳遞一定功率時，變壓器的體積會比較大。同時為了保證當輸入電壓在一定范圍變化時，輸出電壓都能夠穩定在規定的數值上， 在穩壓電路的輸入端（即圖2 中的7805 的輸入端） 的電壓必須保證其輸出電壓高于一定的數值。 由于整個電路的無效功耗約等于穩壓電路（7805）的輸入輸出壓差乘以負載電流，因此，整個電路的效率普遍比較低。

1.2 CA1800 系列多路直流穩壓電源原理簡介

本中心實驗室配備的直流穩壓電源屬于CA1800 系列可調式直流穩壓穩流電源， 是一種具有輸出電壓與輸出電流均連續可調、穩壓與穩流自動轉換的高穩定性、高可靠性、高精度的多路直流電源[5]。

CA1800 系列為LED 顯示，可同時顯示輸出電壓和電流值，且所有規格都具有固定5 V，3 A 輸出。 另外，兩路可調電源無需另外接線即可進行串聯或并聯使用， 并且一路主電源進行電壓或電流跟蹤。 串聯時最高輸出電壓可達兩路電壓額定值之和；并聯時最大出電流可達兩路電流額定值之和。

CA1800 系列多路直流穩壓電源的原理框圖如圖3 所示。

圖3 CA1800 系列多路直流穩壓電源的原理框圖Fig. 3 Principle diagram of CA1800 series DC regulated power supply

2 直流穩壓電源故障分析與故障排查方法

1)故障一：無輸出電壓，即輸出電壓為0 V

電路輸出電壓為零，實際就是電路無輸出。 可以從電路輸入端分析到輸出端不難看出， 如果電路存在以下幾種情況中任意一種情況，電路均會無輸出電壓。

①電源線和輸出導線故障或接觸不良、 ②保險絲熔斷或開路、③變壓器開路、④橋式整流電路開路、⑤電容短路、⑥電阻開路、⑦三極管開路、⑧穩壓管開路[8]。如何判斷到底是由哪一種原因造成的呢？可以按下列步驟來檢測，如發現故障則可以進行維修，若故障排除則可以不再繼續進行下一步：

第一步： 觀察電源線和輸出導線的插頭和接口處兩者是否有松動，查看線體是否損壞，用萬用表測量接口處電壓是否與插座上的電壓一致，分別測其通斷。如有故障直接手動調節和更換導線即可。

第二步： 取出保險絲看是否熔斷， 或存在接觸不良的現象。 如果保險絲熔斷更換相應參數的保險絲即可。

第三步：打開機蓋，觀察是否有元件燒壞，導線斷開，電路板是否虛焊、脫焊等斷路現象存在，如無直觀故障，則利用萬用表進一步測量各單元間的通斷， 發現故障后要更換元件或將斷路處重新進行焊接或接線。

以上排查過程如圖4 所示。

圖4 故障一排查流程圖Fig. 4 The flow chart of fault 1 checking

2)故障二：輸出電壓不準確，即電壓高于或低于正常電壓，且不可調

電路輸出不準時， 我們可以利用萬用表或示波器對各單元電路的性能進行帶電檢測， 如發現問題可對單元電路中的獨立元件分別進行帶電或不帶電檢測。 常見故障主要有以下幾種原因。

①降壓單元故障、②電壓調整電路單元、③穩壓單元故障、④輸出電壓幅度調節單元故障。 建議按下列步驟來檢測：

第一步： 測量變壓器的輸出端電壓值是否在規定的范圍，如有故障需更換變壓器后再進行測試。

第二步：測量電壓調整電路輸出端電壓是否準確。 如有故障需進一步檢測調整管等相關元件，確定故障元件，主要是檢測該單元內部相應的三極管、二極管是否被擊穿。

第三步：測量穩壓單元的輸出端電壓，檢測該單元是否起到了穩壓效果。 如有故障需更換穩壓芯片及其外圍元件后再進行測試。

第四步： 測量電壓幅度調節單元在調整過程中電壓是否進行有規律的變化。 如有故障需要更換調壓電位器后再進行測試。

以上排查過程如圖5 所示。

圖5 故障二排查流程圖Fig. 5 The flow chart of fault 2 checking

3)故障三：輸出電壓不穩定，有波動或含有紋波電壓

出現該現象時應重點檢查是否存在以下故障。①電源電壓不穩定、②整流單元故障、③濾波單元故障、④穩壓單元故障。 重點排查以下幾項：

第一步：應仔細檢查交流電源電壓是否太低，如不是應檢查橋式整流電路中是否有斷路或個別二極管短路而導致全波整流變成半波整流的情況。

第二步：紋波電壓較大，則應檢查濾波電容是否有斷路、漏電、漏液、鼓泡等原因導致的電容容量減小或失效的現象。

第三步：不穩定時，可能是穩壓管穩壓性能變壞，本來穩壓管的作用是為比較放大器提供一個基準電壓， 這一電壓應保持不變，但當穩壓管性能變壞時，送入比較放大器同相端的電位將發生變化， 經比較放大后送給調整管基極的信號就不再是真正的取樣信號，結果也會使穩定度降低。

以上排查過程如圖6 所示。

以上幾類常見故障是針對直流穩壓電源的原理所進行的分析與排查，當然還會有其它故障發生，如顯示單元，按鍵、旋鈕等控制單元， 但不是其主要故障， 往往對其功能影響不大，可以繼續使用，在此不作過多贅述。

3 結束語

圖6 故障三排查流程圖Fig. 6 The flow chart of fault 3 checking

直流穩壓電源發生故障勢必影響正常的實驗教學、科研、生產、維修等工作，只要掌握電路原理，提高故障分析能力，運用跟蹤排除法細心檢測，就完全能夠及時找到故障源頭，縮短故障排除時間。這樣不僅提高了工作效率，保證實驗教學任務的順利進行，還能延長設備使用壽命，節約維護和采購經費。下一步的研究重點是故障機理分析、 故障研究對象擴展及故障預測算法研究[6]。

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