电力参数计量表IQ200的电源电路与维修

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摘　要:介绍了美国Culter-Hammer公司的IQ200电力参数计量表的功能特点。为便于分析,对易发生故障的电源部分据实物电路板测绘出了电路原理图。对在实际运行中的电源板无输出的故障给出了分析,结论是PWM(脉冲宽度调制)控制器UC3845的电源端的电解电容器容量衰减及电容耗散因数变大是导致UC3845欠压锁定的原因。

关键词:IQ200;开关电源;UC3845;PWM     电力参数计量表IQ200是美国Culter-Hammer公司的产品。IQ200属于多功能数字仪表,集成了电流表、电压表、有功表、无功表、功率因素表、频率计、电度表等电力参数的计量。测量、记录的三相交流数据可由面板上的LCD点阵显示屏实时显示。操作界面采用菜单式操作方式,显示内容的切换通过面板上的按键选择LCD显示屏的菜单来实现。 IQ200的检测精度较高,有关测量精度参数:三相电流0.5%;频率±0.1%;有功、无功、视在功率等±1.0%。IQ200的显示屏和检测主体分体安装,通过8芯连接线连接。这给安装和检修带来了方便。 1 IQ200故障状况 华飞公司的部分变电站选用了IQ200。有3个站共安装了38台IQ200计量表,从1999年初至2005年底所有表运行状况良好,其间虽经历电压波动等外部冲击,未出现任何故障。但在2006年初,发现部分IQ200表液晶屏无显示。在短期内,发现大部分IQ200出现液晶屏无显示的故障,故障表数量达31台。起初认为可能是外部供电电源故障。经检查,外部供电电源正常。由此确定是IQ200表的内部故障。因有几台正常的IQ200表作为参照,排除了液晶显示屏本身引起的故障的可能,很快确定故障是在主体的电源部分。 IQ200的主体部分由3块板卡通过插针连接而成。3块板卡分别是电源板、主处理板、通讯板。拆开检查,电源板的故障现象是输入有220 V交流电但输出无直流电压。至此,已确定IQ200的故障是由内部的开关电源板故障引起。因故障比例较大(81%),故障现象一致(内部开关电源无输出),应属于同一类故障。对故障的进行排除及分析就显得很有必要。 2 电路原理图与工作原理 电源板是一块4层的PCB板,最上层排步了插脚元件,底层安装了贴片元件。贴片元件中有1片IC,经辨认是UC3845。厂家只提供外部接线图,不提供具体的电路原理图,给维修造成了一定的难度。为便于分析检修,经对照实物,绘制了电源板的电路原理图。原理图如图1,图2所示。 从电源板的原理图可见,电路设计不同于常见的采用UC3845的开关电源电路,而采用了两级电压转换电路。 图1所示电路的功能是由外部电源得到降低的直流电压,以供给后接的UC3845电路。图1中的功率器件Q3是N沟道增强型MOSFET场效应管3N120。3N120采用TO-220封装,实际使用中加了散热片。   其有关参数: 漏源耐压VDDS为1 200 V,25℃时的漏极可承受电流ID为3 A,漏源导通电阻RDS(on)为4.5Ω。Q1,Q2是贴片封装的三极管。外接的220 V工作电源经二极管D4~D7整流,输出100 Hz的脉动直流电压加在开关场效应管Q3,R21和C6~C3端。通过Q3的栅极电压以控制Q3的开关状态,在C6及C3电容上得到稳定的直流电压。三极管Q1,Q2及外围元件形成正反馈电路,Q2的输出控制Q3的栅极电压。 经实测,外接交流220 V工作电源时,在电容C3两端的输出直流电压为180 V。 图2中的主元件为集成电路UC3845及MOSFET功率场效应管2N50。2N50采用SOT404贴片封装,其有关参数:漏源耐压VDDS为500 V,25℃时的漏极可承受电流ID为2 A,漏源导通电阻RDS(on)小于5Ω。2N50作为输出级的功率驱动管。   UC3845是PWM(脉冲宽度调制)控制器。UC3845采用单端输出电路,是一种高性能的固定频率电流型控制器集成电路。在隔离式单端开关电源的设计及DC~DC电源变换器设计中有广泛的应用。其优点是外接元件少,价格低廉;电压调整率好,有过流限制、过压保护和欠压锁定等。有关参数如下:工作电压10~30 V;电流传感和电压反馈输入-0.3 ~ +5.5 V;误差放大输出吸入电流10 mA;欠压锁定功能,开启阀值8.5 V,关闭电压7.9 V;占空比可调,最大占空比50%;最高开关频率500 kHz,稳定度0.2%;内部有稳定的5.0 V基准电压源;电压调整率达到0.01%,启动电流小于1 mA,正常工作电流15 mA。 UC3845的封装形式有DIP-8,SOP-8及SOP-14三种,在环境温度20℃时,允许的最大耗散功率分别为1 200 mW,460 mW,680 mW。本设备采用了SOP-14形式的封装形式,可能是设计者为兼顾安装体积与功耗的选用。 UC3845的内部框图可参考有关资料。SOP-14封装的UC3845共14个引脚,各引脚的功能如下:1脚:补偿端,外接阻容元件以补偿误差放大器的频率特性;3脚:电压反馈输入端;5脚:电流检测输入端;7脚:外接决定开关电源工作频率的R,C;8脚:输出驱动接地端;9脚:接地;10脚:开关管驱动脉冲输出端;11脚:输出驱动电源端Vcc;12脚:工作电源端Vcc;14脚:内部基准电压输出端,VREF=5 V,最大输出电流50 mA;引脚2,4,6,13为空引脚,未和内部电路连接。 图2中应用UC3845的开关电源的工作原理是,由C3两端送出的直流180 V电压通过电阻R24给启动电容C8(100μF/25 V)充电。当C8电压达到8.5 V时UC3845电路启动工作,10脚输出一定宽度的脉冲驱动功率管Q4(2N50)导通和截止。由绕组N2获得的高频电压经D16整流,C9,C8滤波后作为UC3845的工作电源。正常工作时,UC3845的电流消耗达15 mA。同时,采样电压也取自这个绕组的电压,由R27和R28分压,接至UC3845的引脚3。引脚3是UC3845内部误差放大器的输入端。R30和C12是误差放大器外接的补偿RC网络,用以改变放大器的闭环增益和频率响应。引脚7外接R29和C16决定了UC3845的振荡器工作频率f,f=1.8 / (R29×C16)。实测工作频率36 kHz。R29一端接内部基准5 V电压,以稳定工作频率。 R33是开关管Q4的过流检测电阻,当R33上的电压大于1 V时,内部过流保护电路关闭PWM脉冲输出,开关管Q4截止。这可避免开关管因过流而损坏。 在UC3845的内部有2个控制闭环回路,一个是输出电压反馈回误差放大器,与内部基准电压比较后产生误差电压;另一个是开关变压器初级电感中的电流在过流检测电阻上产生的电压,与误差电压进行比较后产生调制脉冲宽度的脉冲信号,控制功率管的通断状态来调节电压的高低,达到稳压的目的。比如,当电源电压变化或负荷变化引起输出电压升高(降低)时,则脉宽调制器会相应的减小(增大)输出波形的占空比,使功率管的导通时间变短(长),使输出电压维持在一个定值。由于误差信号实际控制着峰值电感电流,故UC 3845称为电流型脉冲宽度调制器。 3 故障维修与分析 在理清了电源板的结构与原理后,进行维修就水到渠成了。对照正常的电源板,对各关键检测点电压进行测量,结果如表1所示。由此可确定故障范围在图2所示电路的范围内。 UC3845的供电电源电压偏低,低于开启阀值8.5 V,UC3845处于欠压锁定状态,无驱动脉冲输出,所以无输出电压。怀疑电源端的元件C8(100μF/25 V)漏电,于是拆下电解电容C8。测C8,直流电阻在MΩ以上,直流特性良好。再测其容量,发现仅3μF左右,远小于标称值100μF,容量衰减很大。更换一新的100μF/25 V电容,通电试机,电源恢复正常。   拆其余的故障电源板,发现了同样的C8电容容量衰减的现象。所有故障板上的电容容量都小于10μF。经更换电容,一批故障电源板得以修复。 至此,维修工作已结束,电源板故障原因是因C8容量衰减引起。但在验证故障原因时出现了新的问题。当替换C8的容量为10μF/25V,电源板能正常工作;当C8容量替换为1μF/25V时,电源板仍能正常工作。这就与电源故障是因C8容量变小引起的结论相矛盾。再进一步比较检测电容器时,找到了深层的故障原因。用FLUKEPM6306元器件仪表对故障板拆下的电容(随机抽取3只)和试验用的10μF及1μF电容分别进行检测,检测结果如表2所示(测试频率f=1 kHz)。 从表2可知,故障电容不仅是容量上的变小,他的耗散因数也大为增加。通常要求电解电容的耗散因数(损耗角正切值tgδ)小于0.30,而故障电容器的耗散因数明显变大。耗散因数过大(如大于0.40),高频特性变劣。其在脉冲电压下的ESR值变高。而高ESR值导致电容发热,引起电解液干涸,降低电容的使用寿命。 4 结　语 通过对照实物绘制的电路原理图,对故障分析和维修提供了便利。经过近一步的验证试验与对元件的检测,发现采用UC3845电源板无输出的故障的一类原因是电源端的电解电容性能变劣,表现为容量衰减与电容的耗散因数过大。 参考文献： [1]朱俊林,刘细平.基于UC3842的电流控制型脉宽调制开关稳压电源的研究[J].现代电子技术,2003,27(9):23-25. [2]朱绪飞,宋晔.电子镇流器用铝电解电容器的要求及选用[J].中国照明电器,2000(11):9-10. [3]FAIRCHILD Semiconductor.UC3845datasheet. www.fair-childsemi.com.