關于空調控制器三端穩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：空調及其零部件質量管控。

摘要：三端穩壓管是空調控制器常用元器件，主要作用是直流電壓的轉換、穩定。三端穩壓管內部晶元為半導體材料，實際生產過程中常出現靜電類的損傷，并且會影響整個空調控制器正常工作。因此，對于三端穩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壓管做詳細分析，根據失效原理，總結三個優化方向：1、提升穩壓管內部受損器件的抗靜電能力;2、穩壓管內部增加一個電阻,用于防止靜電損傷的;3、在穩壓管輸入端增加一個電容，用于消除靜電。

前言

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

1 三端穩壓管的工作原理及部分名詞概念解釋

1.1 三端穩壓管的工作原理

　　目前各廠家設計的三端穩壓管基本工作原理大同小異，只不過根據三端穩壓管在售后出現的異常做出部分電路的優化，通過更改部分元器件參數來達到不同的穩壓效果，抵抗各種使用環境的考驗。三端穩壓管的工作原理如圖1所示，各廠家根據實際需要修改電路參數、元器件。

　　根據原理圖各模塊功能分為啟動電路、基準電壓電路、采樣比較放大和調整電路、保護電路。具體結構劃分如圖2所示。下面針對穩壓管內部各結構區域作具體分析。

1.1.1 啟動電路

　　啟動電路由T1、T2、Dz1組成。當輸入電壓Vi高于穩壓管Dz1的穩定電壓時，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達到相等的穩壓值，整個電路進入正常工作狀態，電路啟動完畢。同時T2因基極和發射極電壓差為0而截止，切斷了啟動電路與放大電路的聯系，從而保證T2左邊出現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，電路設計和工藝上使用具有正溫度系數的R1、R2、R3、Dz2與具有負溫度系數的T3、D1、D2發射結互相補償，可以使基準電壓基本不隨溫度變化。同時，對穩壓管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整電路

　　采樣比較放大電路和調整電路由T4—T11組成，其中T10、T11組成復合調整管;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、穩壓管工作溫度過高等原因導致穩壓管損壞。

　　(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整管(主要是T11)能在安全區以內工作，特別要注意使它的功耗不超過額定值。

　　由于Dz3、Dz4、R14、R15、T12所構成的支路使T10、T11調整管電路的功耗限制在額定范圍內，降低輸入電壓較高時流經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，調整管T10的基極電流被T13分流，流經R11電流下降從而達到過熱保護的作用。

2 導致三端穩壓管失效的環境因素分析

　　三端穩壓管在空調企業的使用過程中，通常會經歷溫度、瞬間通斷電、電氣安全測試、靜電的考驗，現針對各種類型的考驗設計實驗，分析失效原因。

2.1 驗證溫度過高對穩壓管的影響

　　穩壓管在空調生產過程中，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℃。設計實驗：取穩壓管合格品三個，使用烙鐵持續接觸穩壓管焊接端，設置420℃，分別持續高溫焊接1分鐘、2分鐘、3分鐘，冷卻后再測試穩壓管輸出電壓值是否符合要求。

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

2.2 驗證瞬間通斷電對穩壓管的影響

　　穩壓管在空調生產過程中，需要經歷通斷電測試環節。設計實驗：取一塊裝有穩壓管的電控器，在穩壓管的輸入端、信號地端連接測試點，模擬插拔電源線過程，使用示波器測量穩壓管輸入端電壓是否異常。

　　實驗結果如圖3，測量7812穩壓管輸入端最高電壓17V，7805穩壓管輸入端穩定在12V，通斷電時穩壓管輸入端均未出現過電壓情況。

　　電源線插拔過程中肯定存在低頻脈沖電壓，但是穩壓管輸入端未出現脈沖電壓分析原因為空調電控器的穩壓管前端匹配了uF級別電容，可濾除低頻脈沖電壓。如圖4，為常見穩壓管的應用電路，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壓管的影響

　　穩壓管在空調生產過程中，需要經過電氣安全測試，根據交/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壓管無影響(測試原理在此不做詳述)。設計實驗：取一塊裝有穩壓管的電控器，在穩壓管的輸入端、信號地端連接測試點，對電控器進行電氣安全測試，使用示波器測量穩壓管輸入端電壓是否異常。

　　實驗結果如圖5，7812穩壓管輸入端最高出現6V脈沖電壓，7805穩壓管輸入端最高出現3V脈沖電壓，不會對穩壓管造成損壞。