電力參數(shù)計量表IQ200的電源電路與維修

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摘　要:介紹了美國Culter-Hammer公司的IQ200電力參數(shù)計量表的功能特點。為便于分析,對易發(fā)生故障的電源部分據(jù)實物電路板測繪出了電路原理圖。對在實際運行中的電源板無輸出的故障給出了分析,結(jié)論是PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制器UC3845的電源端的電解電容器容量衰減及電容耗散因數(shù)變大是導致UC3845欠壓鎖定的原因。

關鍵詞:IQ200;開關電源;UC3845;PWM     電力參數(shù)計量表IQ200是美國Culter-Hammer公司的產(chǎn)品。IQ200屬于多功能數(shù)字儀表,集成了電流表、電壓表、有功表、無功表、功率因素表、頻率計、電度表等電力參數(shù)的計量。測量、記錄的三相交流數(shù)據(jù)可由面板上的LCD點陣顯示屏實時顯示。操作界面采用菜單式操作方式,顯示內(nèi)容的切換通過面板上的按鍵選擇LCD顯示屏的菜單來實現(xiàn)。 IQ200的檢測精度較高,有關測量精度參數(shù):三相電流0.5%;頻率±0.1%;有功、無功、視在功率等±1.0%。IQ200的顯示屏和檢測主體分體安裝,通過8芯連接線連接。這給安裝和檢修帶來了方便。 1 IQ200故障狀況 華飛公司的部分變電站選用了IQ200。有3個站共安裝了38臺IQ200計量表,從1999年初至2005年底所有表運行狀況良好,其間雖經(jīng)歷電壓波動等外部沖擊,未出現(xiàn)任何故障。但在2006年初,發(fā)現(xiàn)部分IQ200表液晶屏無顯示。在短期內(nèi),發(fā)現(xiàn)大部分IQ200出現(xiàn)液晶屏無顯示的故障,故障表數(shù)量達31臺。起初認為可能是外部供電電源故障。經(jīng)檢查,外部供電電源正常。由此確定是IQ200表的內(nèi)部故障。因有幾臺正常的IQ200表作為參照,排除了液晶顯示屏本身引起的故障的可能,很快確定故障是在主體的電源部分。 IQ200的主體部分由3塊板卡通過插針連接而成。3塊板卡分別是電源板、主處理板、通訊板。拆開檢查,電源板的故障現(xiàn)象是輸入有220 V交流電但輸出無直流電壓。至此,已確定IQ200的故障是由內(nèi)部的開關電源板故障引起。因故障比例較大(81%),故障現(xiàn)象一致(內(nèi)部開關電源無輸出),應屬于同一類故障。對故障的進行排除及分析就顯得很有必要。 2 電路原理圖與工作原理 電源板是一塊4層的PCB板,最上層排步了插腳元件,底層安裝了貼片元件。貼片元件中有1片IC,經(jīng)辨認是UC3845。廠家只提供外部接線圖,不提供具體的電路原理圖,給維修造成了一定的難度。為便于分析檢修,經(jīng)對照實物,繪制了電源板的電路原理圖。原理圖如圖1,圖2所示。 從電源板的原理圖可見,電路設計不同于常見的采用UC3845的開關電源電路,而采用了兩級電壓轉(zhuǎn)換電路。 圖1所示電路的功能是由外部電源得到降低的直流電壓,以供給后接的UC3845電路。圖1中的功率器件Q3是N溝道增強型MOSFET場效應管3N120。3N120采用TO-220封裝,實際使用中加了散熱片。   其有關參數(shù): 漏源耐壓VDDS為1 200 V,25℃時的漏極可承受電流ID為3 A,漏源導通電阻RDS(on)為4.5Ω。Q1,Q2是貼片封裝的三極管。外接的220 V工作電源經(jīng)二極管D4~D7整流,輸出100 Hz的脈動直流電壓加在開關場效應管Q3,R21和C6~C3端。通過Q3的柵極電壓以控制Q3的開關狀態(tài),在C6及C3電容上得到穩(wěn)定的直流電壓。三極管Q1,Q2及外圍元件形成正反饋電路,Q2的輸出控制Q3的柵極電壓。 經(jīng)實測,外接交流220 V工作電源時,在電容C3兩端的輸出直流電壓為180 V。 圖2中的主元件為集成電路UC3845及MOSFET功率場效應管2N50。2N50采用SOT404貼片封裝,其有關參數(shù):漏源耐壓VDDS為500 V,25℃時的漏極可承受電流ID為2 A,漏源導通電阻RDS(on)小于5Ω。2N50作為輸出級的功率驅(qū)動管。   UC3845是PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制器。UC3845采用單端輸出電路,是一種高性能的固定頻率電流型控制器集成電路。在隔離式單端開關電源的設計及DC~DC電源變換器設計中有廣泛的應用。其優(yōu)點是外接元件少,價格低廉;電壓調(diào)整率好,有過流限制、過壓保護和欠壓鎖定等。有關參數(shù)如下:工作電壓10~30 V;電流傳感和電壓反饋輸入-0.3 ~ +5.5 V;誤差放大輸出吸入電流10 mA;欠壓鎖定功能,開啟閥值8.5 V,關閉電壓7.9 V;占空比可調(diào),最大占空比50%;最高開關頻率500 kHz,穩(wěn)定度0.2%;內(nèi)部有穩(wěn)定的5.0 V基準電壓源;電壓調(diào)整率達到0.01%,啟動電流小于1 mA,正常工作電流15 mA。 UC3845的封裝形式有DIP-8,SOP-8及SOP-14三種,在環(huán)境溫度20℃時,允許的最大耗散功率分別為1 200 mW,460 mW,680 mW。本設備采用了SOP-14形式的封裝形式,可能是設計者為兼顧安裝體積與功耗的選用。 UC3845的內(nèi)部框圖可參考有關資料。SOP-14封裝的UC3845共14個引腳,各引腳的功能如下:1腳:補償端,外接阻容元件以補償誤差放大器的頻率特性;3腳:電壓反饋輸入端;5腳:電流檢測輸入端;7腳:外接決定開關電源工作頻率的R,C;8腳:輸出驅(qū)動接地端;9腳:接地;10腳:開關管驅(qū)動脈沖輸出端;11腳:輸出驅(qū)動電源端Vcc;12腳:工作電源端Vcc;14腳:內(nèi)部基準電壓輸出端,VREF=5 V,最大輸出電流50 mA;引腳2,4,6,13為空引腳,未和內(nèi)部電路連接。 圖2中應用UC3845的開關電源的工作原理是,由C3兩端送出的直流180 V電壓通過電阻R24給啟動電容C8(100μF/25 V)充電。當C8電壓達到8.5 V時UC3845電路啟動工作,10腳輸出一定寬度的脈沖驅(qū)動功率管Q4(2N50)導通和截止。由繞組N2獲得的高頻電壓經(jīng)D16整流,C9,C8濾波后作為UC3845的工作電源。正常工作時,UC3845的電流消耗達15 mA。同時,采樣電壓也取自這個繞組的電壓,由R27和R28分壓,接至UC3845的引腳3。引腳3是UC3845內(nèi)部誤差放大器的輸入端。R30和C12是誤差放大器外接的補償RC網(wǎng)絡,用以改變放大器的閉環(huán)增益和頻率響應。引腳7外接R29和C16決定了UC3845的振蕩器工作頻率f,f=1.8 / (R29×C16)。實測工作頻率36 kHz。R29一端接內(nèi)部基準5 V電壓,以穩(wěn)定工作頻率。 R33是開關管Q4的過流檢測電阻,當R33上的電壓大于1 V時,內(nèi)部過流保護電路關閉PWM脈沖輸出,開關管Q4截止。這可避免開關管因過流而損壞。 在UC3845的內(nèi)部有2個控制閉環(huán)回路,一個是輸出電壓反饋回誤差放大器,與內(nèi)部基準電壓比較后產(chǎn)生誤差電壓;另一個是開關變壓器初級電感中的電流在過流檢測電阻上產(chǎn)生的電壓,與誤差電壓進行比較后產(chǎn)生調(diào)制脈沖寬度的脈沖信號,控制功率管的通斷狀態(tài)來調(diào)節(jié)電壓的高低,達到穩(wěn)壓的目的。比如,當電源電壓變化或負荷變化引起輸出電壓升高(降低)時,則脈寬調(diào)制器會相應的減小(增大)輸出波形的占空比,使功率管的導通時間變短(長),使輸出電壓維持在一個定值。由于誤差信號實際控制著峰值電感電流,故UC 3845稱為電流型脈沖寬度調(diào)制器。 3 故障維修與分析 在理清了電源板的結(jié)構與原理后,進行維修就水到渠成了。對照正常的電源板,對各關鍵檢測點電壓進行測量,結(jié)果如表1所示。由此可確定故障范圍在圖2所示電路的范圍內(nèi)。 UC3845的供電電源電壓偏低,低于開啟閥值8.5 V,UC3845處于欠壓鎖定狀態(tài),無驅(qū)動脈沖輸出,所以無輸出電壓。懷疑電源端的元件C8(100μF/25 V)漏電,于是拆下電解電容C8。測C8,直流電阻在MΩ以上,直流特性良好。再測其容量,發(fā)現(xiàn)僅3μF左右,遠小于標稱值100μF,容量衰減很大。更換一新的100μF/25 V電容,通電試機,電源恢復正常。   拆其余的故障電源板,發(fā)現(xiàn)了同樣的C8電容容量衰減的現(xiàn)象。所有故障板上的電容容量都小于10μF。經(jīng)更換電容,一批故障電源板得以修復。 至此,維修工作已結(jié)束,電源板故障原因是因C8容量衰減引起。但在驗證故障原因時出現(xiàn)了新的問題。當替換C8的容量為10μF/25V,電源板能正常工作;當C8容量替換為1μF/25V時,電源板仍能正常工作。這就與電源故障是因C8容量變小引起的結(jié)論相矛盾。再進一步比較檢測電容器時,找到了深層的故障原因。用FLUKEPM6306元器件儀表對故障板拆下的電容(隨機抽取3只)和試驗用的10μF及1μF電容分別進行檢測,檢測結(jié)果如表2所示(測試頻率f=1 kHz)。 從表2可知,故障電容不僅是容量上的變小,他的耗散因數(shù)也大為增加。通常要求電解電容的耗散因數(shù)(損耗角正切值tgδ)小于0.30,而故障電容器的耗散因數(shù)明顯變大。耗散因數(shù)過大(如大于0.40),高頻特性變劣。其在脈沖電壓下的ESR值變高。而高ESR值導致電容發(fā)熱,引起電解液干涸,降低電容的使用壽命。 4 結(jié)　語 通過對照實物繪制的電路原理圖,對故障分析和維修提供了便利。經(jīng)過近一步的驗證試驗與對元件的檢測,發(fā)現(xiàn)采用UC3845電源板無輸出的故障的一類原因是電源端的電解電容性能變劣,表現(xiàn)為容量衰減與電容的耗散因數(shù)過大。 參考文獻： [1]朱俊林,劉細平.基于UC3842的電流控制型脈寬調(diào)制開關穩(wěn)壓電源的研究[J].現(xiàn)代電子技術,2003,27(9):23-25. [2]朱緒飛,宋曄.電子鎮(zhèn)流器用鋁電解電容器的要求及選用[J].中國照明電器,2000(11):9-10. [3]FAIRCHILD Semiconductor.UC3845datasheet. www.fair-childsemi.com.