關(guān)于空調(diào)控制器三端穩(wěn)壓管的失效原理的分析與研究

作者/ 張成成 格力電器(合肥)有限公司(安徽 合肥 230088)

張成成(1983-)，男，中級工程師，研究方向：空調(diào)及其零部件質(zhì)量管控。

摘要：三端穩(wěn)壓管是空調(diào)控制器常用元器件，主要作用是直流電壓的轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定。三端穩(wěn)壓管內(nèi)部晶元為半導體材料，實際生產(chǎn)過程中常出現(xiàn)靜電類的損傷，并且會影響整個空調(diào)控制器正常工作。因此，對于三端穩(wěn)壓管的失效原理的分析研究尤為重要，它可以幫助我們從根源上解決失效問題。本文針對失效的三端穩(wěn)壓管做詳細分析，根據(jù)失效原理，總結(jié)三個優(yōu)化方向：1、提升穩(wěn)壓管內(nèi)部受損器件的抗靜電能力;2、穩(wěn)壓管內(nèi)部增加一個電阻,用于防止靜電損傷的;3、在穩(wěn)壓管輸入端增加一個電容，用于消除靜電。

前言

　　目前，各企業(yè)空調(diào)的為實現(xiàn)智能控制均需要使用電控器，而電控器中常用的弱電穩(wěn)壓器件是三端穩(wěn)壓管，常用的有7815、7812、7805系列。由于廠家制造工藝不一致，同系列穩(wěn)壓管設(shè)計方案不一致，穩(wěn)壓管使用環(huán)境、工作環(huán)境等因素，導致穩(wěn)壓管的使用壽命不一致，使用過程中出現(xiàn)大量的三端穩(wěn)壓管失效案例，而三端穩(wěn)壓管的失效直接導致空調(diào)無法運轉(zhuǎn)。因此對于三端穩(wěn)壓管使用過程中的失效原理做出分析，找出根本原因并優(yōu)化，可以減少生產(chǎn)過程及售后使用過程中穩(wěn)壓管下線，同時有助于生產(chǎn)制造成本及售后維修成本。本文是針對售后失效的三端穩(wěn)壓管，通過檢驗穩(wěn)壓管的使用環(huán)境、器件自身抗靜電能力，分析穩(wěn)壓管的失效模式，模擬同類失效故障件，統(tǒng)計分析失效數(shù)據(jù)的方式來給出合理的優(yōu)化方案。

1 三端穩(wěn)壓管的工作原理及部分名詞概念解釋

1.1 三端穩(wěn)壓管的工作原理

　　目前各廠家設(shè)計的三端穩(wěn)壓管基本工作原理大同小異，只不過根據(jù)三端穩(wěn)壓管在售后出現(xiàn)的異常做出部分電路的優(yōu)化，通過更改部分元器件參數(shù)來達到不同的穩(wěn)壓效果，抵抗各種使用環(huán)境的考驗。三端穩(wěn)壓管的工作原理如圖1所示，各廠家根據(jù)實際需要修改電路參數(shù)、元器件。

　　根據(jù)原理圖各模塊功能分為啟動電路、基準電壓電路、采樣比較放大和調(diào)整電路、保護電路。具體結(jié)構(gòu)劃分如圖2所示。下面針對穩(wěn)壓管內(nèi)部各結(jié)構(gòu)區(qū)域作具體分析。

1.1.1 啟動電路

　　啟動電路由T1、T2、Dz1組成。當輸入電壓Vi高于穩(wěn)壓管Dz1的穩(wěn)定電壓時，有電流通過T1、T2，使T3基極電位上升導通，同時恒流源T4、T5也工作。T4的集電極電流通過Dz2以建立起正常工作電壓，當Dz2和Dz1達到相等的穩(wěn)壓值，整個電路進入正常工作狀態(tài)，電路啟動完畢。同時T2因基極和發(fā)射極電壓差為0而截止，切斷了啟動電路與放大電路的聯(lián)系，從而保證T2左邊出現(xiàn)的紋波與噪音不影響基準電壓源。

1.1.2 基準電壓電路

　　基準電壓電路由T4、Dz2、T3、R1、R2、R3及D1、D2組成，電路設(shè)計和工藝上使用具有正溫度系數(shù)的R1、R2、R3、Dz2與具有負溫度系數(shù)的T3、D1、D2發(fā)射結(jié)互相補償，可以使基準電壓基本不隨溫度變化。同時，對穩(wěn)壓管Dz2采用恒流源供電，從而保證基準電壓不受輸入電壓波動的影響。

1.1.3 采樣比較放大電路和調(diào)整電路

　　采樣比較放大電路和調(diào)整電路由T4—T11組成，其中T10、T11組成復合調(diào)整管;R12、R13組成取樣電路;T7、T8和T6組成帶恒流源的差動式放大電路;T4、T5組成的恒流源作為它的有源負載。T9、R9作為緩沖電路，為T8起分流作用。

1.1.4 保護電路

　　保護電路分為減流式保護電路和過熱保護電路，防止因輸入電壓過高、輸入電壓變動、穩(wěn)壓管工作溫度過高等原因?qū)е路€(wěn)壓管損壞。

　　(1)減流式保護電路

　　減流式保護電路T12、R11、R15、R14和Dz3、Dz4組成;R11為檢流電阻。保護的目的主要是使調(diào)整管(主要是T11)能在安全區(qū)以內(nèi)工作，特別要注意使它的功耗不超過額定值。

　　由于Dz3、Dz4、R14、R15、T12所構(gòu)成的支路使T10、T11調(diào)整管電路的功耗限制在額定范圍內(nèi)，降低輸入電壓較高時流經(jīng)R11的電流，故稱為減流式保護。

　　(2)過熱保護電路

　　過熱保護電路Dz2、T3、T14和T13組成，在常溫時R3上的壓降僅0.4V左右，T14、T13截止，對電路工作無影響。當某種原因使芯片溫度上升到極限值，R3上壓降隨Dz2的工作電壓升高而升高，T14、T13導通，調(diào)整管T10的基極電流被T13分流，流經(jīng)R11電流下降從而達到過熱保護的作用。

2 導致三端穩(wěn)壓管失效的環(huán)境因素分析

　　三端穩(wěn)壓管在空調(diào)企業(yè)的使用過程中，通常會經(jīng)歷溫度、瞬間通斷電、電氣安全測試、靜電的考驗，現(xiàn)針對各種類型的考驗設(shè)計實驗，分析失效原因。

2.1 驗證溫度過高對穩(wěn)壓管的影響

　　穩(wěn)壓管在空調(diào)生產(chǎn)過程中，涉及波峰焊接、人工焊接等高溫考驗，其中人工焊接溫度最高可達400℃。設(shè)計實驗：取穩(wěn)壓管合格品三個，使用烙鐵持續(xù)接觸穩(wěn)壓管焊接端，設(shè)置420℃，分別持續(xù)高溫焊接1分鐘、2分鐘、3分鐘，冷卻后再測試穩(wěn)壓管輸出電壓值是否符合要求。

　　實驗結(jié)果如表1，以7805系列穩(wěn)壓管為例，實驗結(jié)果說明高溫焊接對于穩(wěn)壓管未造成明顯損壞。

2.2 驗證瞬間通斷電對穩(wěn)壓管的影響

　　穩(wěn)壓管在空調(diào)生產(chǎn)過程中，需要經(jīng)歷通斷電測試環(huán)節(jié)。設(shè)計實驗：取一塊裝有穩(wěn)壓管的電控器，在穩(wěn)壓管的輸入端、信號地端連接測試點，模擬插拔電源線過程，使用示波器測量穩(wěn)壓管輸入端電壓是否異常。

　　實驗結(jié)果如圖3，測量7812穩(wěn)壓管輸入端最高電壓17V，7805穩(wěn)壓管輸入端穩(wěn)定在12V，通斷電時穩(wěn)壓管輸入端均未出現(xiàn)過電壓情況。

　　電源線插拔過程中肯定存在低頻脈沖電壓，但是穩(wěn)壓管輸入端未出現(xiàn)脈沖電壓分析原因為空調(diào)電控器的穩(wěn)壓管前端匹配了uF級別電容，可濾除低頻脈沖電壓。如圖4，為常見穩(wěn)壓管的應(yīng)用電路，匹配的C133電解電容可消除低頻脈沖電壓。

2.3 驗證電氣安全測試對穩(wěn)壓管的影響

　　穩(wěn)壓管在空調(diào)生產(chǎn)過程中，需要經(jīng)過電氣安全測試，根據(jù)交/直流耐壓、絕緣電阻、泄漏電流、接地電阻等四項基本指標的測試原理對于可判斷穩(wěn)壓管無影響(測試原理在此不做詳述)。設(shè)計實驗：取一塊裝有穩(wěn)壓管的電控器，在穩(wěn)壓管的輸入端、信號地端連接測試點，對電控器進行電氣安全測試，使用示波器測量穩(wěn)壓管輸入端電壓是否異常。

　　實驗結(jié)果如圖5，7812穩(wěn)壓管輸入端最高出現(xiàn)6V脈沖電壓，7805穩(wěn)壓管輸入端最高出現(xiàn)3V脈沖電壓，不會對穩(wěn)壓管造成損壞。