100W電源轉換器的試作

原文刊載於音響技術29期

/梁清一

最近因為製作大功率擴大機，為了電源供給的問題實在傷透了腦筋，因為；第一，大功率容量的變壓器，訂製起來成本高得驚，以適於單一聲道十足250瓦之用（120伏×3A＝360VA）的變壓器而言，堅新公司初次為我估的價竟高達900元，後來勉強算到650元，加上包裝及運費，對大多數ESS500的試作者而言，未免太高了，這是我遲遲不敢下定決心製作領應的原因；第二，高耐壓高容量（100V/5000mF以上）的電容器不好找，即使有，售價也很高，如果只為我一個人做，倒也罷了，舊貨攤上找個三五湊合湊合容易得很，但我不能叫大家都這樣湊合呀！何況很多希望試作的人住在花蓮、台東、埔里、那兒根本沒有像高雄、台南、台北一樣的舊貨攤。

窮則變（也許不一定通），正好高雄聯誼會的老周寄來了一篇DC-DC轉換器的稿子，有如前述編者引言樣的缺陷，尚無法普遍運用（廠製品不敢普採用，自亦不適合每一個人來採用），至少也是湊合湊合的一種方式罷。因，除了陳富杉先生的一篇製作設計，以及我的實驗報告之外，我又另請本刊Hi-Fi診療所主治醫師梁雄先生，將他已生產了一年多專供工業用途的轉換器，將電壓降低（原供三萬伏以上供電之用）後，以供功率擴大機之用的設計一併刊載於後，有興趣的朋友，於看完這三篇報告後，諒也足供自行製作的參考了。不過在此我必須很可能把寶貴鐵芯的尋找：

製作高頻電力轉換器，第一個必須解決的問題，就是高頻變壓器鐵芯。這種鐵芯目前使用得較普遍的電視機中的馳返變壓器，售價並不廉宜，梁雄先生一年多來即以此種鐵芯製作功率高達一千瓦以上的轉換器，從下文你當可以看到他使用此類鐵芯的經驗。

而我所用的鐵芯乃是在舊貨攤購得，為圈形（如照片）外徑約2.7公分，內徑1.6公分，寬1.1公分，實際斷面積約0.5平方公分。依據經驗判斷，大概需要三個疊在一起，使斷面積增加到1.5平方公分才夠。所以，一開始我便偶三個疊在實驗。（按；此類鐵芯舊貨攤上很容易買到，我已讀者服務部設法搜集供應，每個約15元左右）

線圈繞製：

繞變壓器，算圈數雖有一定公式，卻很容易失之毫釐而差之千里，因為鐵芯的導磁係數及總及磁通量不可得知，所以我仍依據經驗大概地加以設定每圈二伏特進行實驗。全部繞組情況圖一：

L1用0.8m/m線（每公尺能密繞12圈）繞25圈×4L2用1m/m線繞25圈×2。之所以繞25圈四組，是因為這種圈狀的鐵芯，繞線很麻煩，必須一圈一圈由圓孔中穿過去後拉緊，所以才想出這個妙計，每次繞時，切取大約3.5公尺左右之漆包線兩條，用併線的方法，一次繞完25圈，就成為五抽頭120圈了，如此繞法，我還有一個用意，就是實驗時，可先以50伏左右的電壓作實驗，等常數確實後，再升高電壓。L2繞法如L1相仿。至於L1則用鐵芯上原有的27號線併繞2圈×2，頭尾相接為抽頭即可。

線路工作原理：

像圖二這樣的線路已經簡單得不能再簡單了，很早就被用在直流日光燈或燈電魚器之用，郊率高，製作簡單。

其工作原理初級圈而到兩個晶體的集極，形成預備工作狀態，而此同時，亦有一脈沖電壓是很平衡的，但由於兩個晶體的直流放大率並不完全相同，假定Q1導電稍大一些，由於L1和L2的相位正好反轉180度，因此當Q1導電之瞬間，立即促使Q2之基極有一正電壓，Q1基極電壓則消失，此時Q2導電，而當Q2導電後，Q2基極又生正電壓，使Q1導電，如此循環不已，形成振盪。

圖中，C1馺R1之作用，在開機時激發振盪之，如果直流電源A、B是直接以直流開關加上的，C1的數值不宜超過0.47μF以上，雖然數值越大越易激發振盪，但可能因放電時間太長，而致Q1Q2兩邊同時導電的時間太長，把晶體燒毀。但如果A．B電流是由整流獲得，開關設於交流端時，C1就必須大一些。

安全顧慮：

雖然這個DC－DC轉換器電路之工作原理非常簡單，但是由於是連續工作在大電力的情況之下，稍一不慎即可能毀及貴的功率晶體，因此在安全方面要特別注意：

首先要注意的是兩個功率晶體的Vceo至少應在供電壓的二倍以上。本電路既是由110伏市交流電直接整流供電，因此供給電壓大約是150伏以上，所以兩個功率晶體的Vceo至少在300伏以上，筆者試裝時，乃從手邊所有的MJ410中挑選耐壓在300伏以上者，但就價格而言，MJ410並不適於用在此，讀者們如有何發現（這是開關用晶體發揮其威力的時候了），請來函交誼廳公諸同好。

或許有人會問，為什麼需要兩倍的耐壓，關於這點，請參考圖二；因為A點有150伏的電壓，當Q1導通時，Q1集極上的電壓迅速下降至接近於零，於是L1上半部上即有150伏左右的電壓負載，愈近上端電壓愈低，反之L1下端與之串聯的線圈，即成為一自耦變壓器，愈接近下端電壓愈高，到Q2的集極時，已出現了300伏左右的電壓。

其次必須考慮的是L1用線很粗，圈數又少，幾乎沒有直流電阻，所以如令Q1做長時間（即使是零點幾秒）導電，勢必流過大量的電流致Q1被毀，而今Q1之所以能順利工作，主要是因為其導電只是瞬間的，而這每一瞬間極短，對L1而言就有很高的感抗存在，以限制大量電流的流過。在此情形下，必須特別注意，無論如何，不可以使Q1Q2同時導電，否則由於L1上下半部的感抗互相對消，產生大量電流而燒毀晶體。

再者就是由L1L2L3所組成的這個變壓器，因為含有大量的電抗成份，所以在由導通到不導通的瞬間，會激起很高的反電動勢，此電動勢可能高達數千伏以上，為免因此電動勢襲擊兩個電晶體，試機時，必須在次級圈上接上負載或如圖一般的整流電路。

另外兩個波型整形電容，可酌情調整，但萬不可省略，因為就變壓器的動作原理而言，它是無法對所謂方波進行能量轉換的，換句話說，即令Q1Q2能振盪出方波來，變壓器亦無法將方波能量做確實有效的方波平項上的能量，因此適度地調整這個兩電容器的容量，可以提高此轉換器的能量轉換效率。

試驗結果：

本機由於是處於超聲頻振盪電路，有許多數據無法確實掌握，所以一切數值均以實驗來推算，根據實驗結果，以此種環形鐵粉芯，來製作轉換器，每一節的最大功率容量大約是40瓦左右，兩節80瓦，而到三節時雖然勉強能做到120瓦，線圈差不多已經繞滿再也無法增加了。

另外一點實驗的結果是；在想像之中，由於使用了高頻整流的方式，所有濾波電容似乎可以縮得很小而不會產生交流脈波，實則不然。因為高頻電力是發生在輸出端，在此處的濾波電容固可以小到數十μF而無紋出現，但在AC整流一方面的濾波電容則似乎一點也不能少。原來擴大機以60Hz變壓器整流需要5000μF或10000μF的，在此處同樣需要5000或10000。其理由非常簡單，因為60Hz經整流之後，如果連續有100或200瓦的電力消耗，則在此150V的直流供應端，必仍有交流脈波出現，而此波脈可在振盪器中引起調變（高頻振幅隨脈波而變化），結果啍聲依然可以在輸出端出現。當然這種紋波在擴大機中，是不易被發現的，因為當輸出小時它也小，但一到輸出大時，又聽不見了，雖然聽不見，即成為失真的根源。所附照片，是筆者試作用時，在輸出端不加整流直上150W燈泡負載時的輸出波形，你說它沒有交流聲嗎？