磁饱和稳压器

大部分电子设备都是用交流市电作电源的。但市电电压常常因负载的变化而发生变动，因而使电子设备的工作受到严重的影响。例如在无线电通信和广播中，当电源电压降低时，发射机的输出功率和接收机的灵敏度都要降低，因此距离远的地方就可能收不到信号；在测量仪器中，电压的降低会使振荡频率变化、指示不准或误差加大；在自动控制方面，电压降低会造成控制失灵或误动等等。如果电源电压升高，则又会使电子管过热，寿命缩短，甚至有烧坏电子管或设备的危险。

采用自动稳压是保证电子设备的安全和正常工作的最好方法。而在稳压设备中，由于交流磁饱和稳压器有着构造简单、效率高、寿命长、工作可靠、不怕过载、不需维护等突出的优点，所以得到了广泛的应用。

一个线圈通过电流时，周围的空间便有磁场产生。表示磁场的量有两个：一个叫磁场强度H，它只与线圈的圈数和电流的大小有关；另一个叫磁感应强度B，它除了与圈数和电流有关外，还与线圈的介质有关。当介质是空气时，B和H相等。但是，当介质是铁磁性材料（如铁、镍、钴等）时，则虽然在同一个线圈中通过同样大小的电流，但磁感应强度B的数值就远远大于磁场强度H。B比H增大的倍数，就是铁磁材料的导磁率μ。

在铁磁材料中，μ不是一个固定的数值，也就是说，磁感应强度B并不是简单地随着磁场强度H的增大而正比地增大，它们的关系可以用图1那样的一条曲线来表示，这条曲线称为磁化曲线。当线圈刚开始接通电流时，磁场强度H从零开始增长，这时磁感应强度B显著地加大。但是，到了曲线上的A点之后，B值就不再增大，磁化曲线变得逐渐平坦起来。这种随着H的增大而B值不再增大的现象，我们称为磁饱和现象。

图2是一个最简单的磁饱和稳压器电路。其中电感L\(_{1}\)是个未饱和的线圈，它的磁感应强度是随着线圈中电流的大小而变化的。当电流增加的时候，L1的磁感应强度也增加，因此在L\(_{1}\)上产生的电压降也随着增加；反之，当电流减小时，L1的磁感应强度减小，因此在L\(_{1}\)上产生的电压降也随着减小。L1上的电压降U\(_{1}\)与电流I的这种关系可以用图2中的直线U1来表示。

电感L\(_{2}\)是个饱和线圈（可以用减小铁心面积或加多线圈圈数的方法使它饱和）。当L2达到磁饱和以后，电流再增加时，它的磁感应强度却增加得很少，因此L\(_{2}\)上的电压降也增加得很少；当电流减小时，它的磁感应强度减小得很少，因此L2上的电压降也减小得很少。L\(_{2}\)上的电压降U2与电流I的这种关系可以用图2中的曲线U\(_{2}\)来表示。

因为L\(_{1}\)和L2是串联的，所以把U\(_{1}\)和U2这两条曲线逐点加起来就是电源电压U\(_{入}\)和电流I的关系曲线。有了这三条曲线，就可以清楚地说明磁饱和稳压器的稳压作用。当电源电压变化时，必然会引起L1和L\(_{2}\)个串联电路里的电流发生变化。由于L1和L\(_{2}\)的特性不同，所以同样的电流变化在L1和L\(_{2}\)上引起的电压变化并不相同。例如在稳压器的工作范围ab段内，当电源电压从U′入变化到U"\(_{入}\)时，电流则从I′变到I"，这时L1上的电压降是从U\(_{1}\)′变到U1"，而L\(_{2}\)上的电压降却是从U2′变到U\(_{2}\)"。显然，L2上的电压变化量ΔU\(_{2}\)和电源电压的变化量ΔU入比起来要小得多。可见由于磁饱和线圈L\(_{2}\)的作用，使L2两端的电压，即输出电压的变动大大减小，达到了稳压的作用。

上面这种只有两个电感的稳压器虽然可以稳压，但是从曲线可以看到，输出电压仍有一些变动。为了使输出电压更加稳定，可以在输出端加一个补偿线圈L\(_{3}\)。（见图3）。L3也是一个未饱和线圈，它和L\(_{1}\)绕在同一个铁心上，绕的方向与L1相反，圈数则比L\(_{1}\)要少。在连接的时候，应该使L2和L\(_{3}\)反相连接，使输出电压等于L2和L\(_{3}\)上电压的差值：U出=U\(_{2}\)-U3。

当电源电压变化时，在电感L\(_{1}\)上引起比较大的电压变化，而电感L2上的电压变化却较小。L\(_{2}\)上这部分较小的电压变化必然会使L3中的电流变化，因而也使L\(_{3}\)两端的电压发生变化。如果设法使L2上的电压变化量ΔU\(_{2}\)和L3上的电压变化量ΔU\(_{3}\)接近相等，那么输出电压的变化量ΔU出也必然因为等于ΔU\(_{2}\)和ΔU3的差值而大大减小。

用图3的曲线可以很好地说明加一补偿线圈以后对稳压性能的改善。曲线U\(_{2}\)表示饱和线圈L2上电压与电流的关系，直线U\(_{3}\)表示补偿线圈L3上电压与电流的关系。把这两条线逐点相减，使得到表示输出电压与电流关系的第三条曲线U\(_{出}\)。从图上可以看到，在不加补偿线圈时，输出电压的变化量应该是ΔU2；而在加上补偿线圈后，由于输出电压的曲线变得更加平坦，所以它的变化量ΔU\(_{出}\)就大大减小，电压的稳定性就大为改善了。

只有两个电感的稳压器，因为稳压性能不够好，所以很少应用。带补偿线圈的稳压器的稳压性能就比较好，在电源电压变化±20％时，输出电压的变动可稳定在2％左右。它的容量一般可达1、2千瓦。

但是这种稳压器也有比较严重的缺点。例如，它的效率比较低。我们知道，电器设备的效率就是输出功率和输入功率的比值。在上面介绍的几种稳压器里，因为要使线圈达到磁饱和，就必须有很大的磁化电流（也称为空载电流），所以稳压器的输出功率就必然要小于输入功率，使得效率大为降低，一般效率都在50％以下。此外，因为这种稳压器都是由大电感组成的，而电感里的电流与电压是不同相的，分析表明，这将使电源的总电流要相应地加大，结果总电流在线路里的损耗就要加大，这对提高市电的利用率也是不利的。虽然它有这些缺点，但因为这种稳压器的结构简单，所以在功率不大、要求不高的地方，还是用得较多的。

图4是一种利用电流谐振方法减少空载电流的磁饱和稳压器电路。图中的饱和线圈L\(_{2}\)和电容C组成一个谐振于电源频率的并联回路。

当L\(_{2}\)和C谱振时，回路内的谐振电流很大而取自电源的空载电流却很小。因此稳压器的效率较高。同时还因为在谐振时，并联回路呈现出电阻性，因此稳压器的性能也得到了改善。

同样，也可以在谐振式磁饱和稳压器的输出端加一个补偿线圈，以提高输出电压的稳定性。

谐振式磁饱和稳压器对谐振电容器C有很高的要求。因为电源频率很低，所以要使电路谐振于电源频率，谐振电容器必须有很大的电容量。这样，电容器的体积就要加大，成本就要提高。如果把饱和线圈L\(_{2}\)制成自耦变压器的形式，就可以使电容量适当地减小。同时还因为自耦变压器有升压作用，可以使输出电压提高到与额定输入电压相等。图5就是最常用的电流谐振式磁饱和稳压器的电路。

电流谐振式磁饱和稳压器因为有着优良的性能，所以应用最广泛。它的效率最高可达80％，电源电压变化±20％时，输出电压的变动可稳定在1％以内。它的容量一般从100瓦到几千瓦。

除了电流谐振外，也可以用电压谱振的方法。图6就是电压谐振式的磁饱和稳压器电路，其中电感L是个饱和线圈，它和电容器C在电源频率附近谐振。

这一种稳压器，在实际制作时，常常把稳压器和变压器的功能结合在一起，而制成图7的形式。从图可以看到，它有一个不对称的铁心。变压器的初级绕组绕在左边较粗的铁心上，与电容器C谐振于电源频率附近。变压器的次级绕组绕在右边较细的铁心上。在电源电压很低时，这个较细的铁心就已经饱和。当电源电压升到工作范围内时，左边较粗的铁心也达到磁饱和，于是当电源电压发生变化时，在初级线圈上引起的电压变化就很小，而由此微小的电压变化，在饱和了的次级线圈上引起的电压变化就更加微小了。这样就达到了稳定电压的目的。初级绕组中并联的电阻R是为了在开断电源时，使电容器C可以通过它放电，以免烧坏电源开关的接点。

电压谐振式磁饱和稳压器因为受变压器和电容器体积的限制，功率容量不能做得很大，一般都在100瓦以下。它的输出电压稳定性比电流谐振式的要稍差些，一般在2％左右。但是它有一个很大的优点，就是稳压的范围特别宽，例如在电源电压从100伏直到250伏的变化范围内，都能保证输出电压的稳定。另外，又因为它能把稳压器和电源变压器的功能结合在一起，节省了设备，所以在小功率的电子设备和测量仪器中用得很多。

磁饱和稳压器虽然能稳定电压，但是因为它的铁心运用在磁化曲线的饱和区内，所以当输入电流是正弦波时，磁通φ的波形却不是正弦波（图8）。从磁通的波形可以知道，其中含有丰富的三次谐波和五次谐波。这样就使得输出电压的波形有很大的失真。失真系数最高时可以达到25％。

有些电子设备对输入电压的波形有较高的要求，这时就可以在磁饱和稳压器的输出端加接滤波电路，如图9。图中的L\(_{3}\)、C3和L\(_{5}\)、C5分别对电源频率的三次谐波和五次谐波分量谐振，使输出端的谐波被短路。经过滤波以后，输出电压U′\(_{出}\)的失真系数可以降到5％以内。

谐振式的磁饱和稳压器因为与电源的频率有关，所以当电源频率变化时，谐振回路会失谐，以致影响稳压性能。一般在频率变化1％时，会引起输出电压约2％的变动。因此在要求较高的场合，还必须在稳压器上加装频率校正电路。图10是一种简单的校正电路，其中电感L′和电容C′是一个并联谐振回路，它的谐振频率不等于电源频率，而是相差一个数值。当电源的频率变化时，稳压器的输出电压U\(_{出}\)会发生变动，同样，这个谐振回路上的电正降也会发生变化。如果能够设计得使谐振回路上的电压变化量与稳压器输出电压U出的变化量相等而相位相反，那么输出电压U′\(_{出}\)就可以做到基本上不受电源频率的影响了。

交流磁饱和稳压器虽然有很多优点，但它还存在一定的缺点。除了前面已介绍过的波形失真和稳压性能受频率影响之外，漏磁很大也是一个难以克服的缺点。磁饱和稳压器散发的很强的漏磁会造成很大的磁干扰，使有些测量仪器和电子设备受到影响，带来测量误差和杂音等。因此在有些电子设备中还是不得不采用电子稳压设备。（方波 田进勤）