電路分析基礎(chǔ)直流電源

1、電路圖，是通過電路元件符號(hào)繪制的電子元件連線走向圖，它詳細(xì)的描繪了各個(gè)元件的連線和走向，各個(gè)引腳的說明，和一些檢測(cè)數(shù)據(jù)。（元件符號(hào)是國(guó)際統(tǒng)一制定的）PCB圖，是電路板的映射圖紙，它詳細(xì)描繪了電路板的走線，元件的位置等。（可以說是電路板的基本結(jié)構(gòu)圖）電路原理圖，它是電路結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)造圖，它詳細(xì)的描繪了電路的大致原理，元件和信號(hào)的走向，可以說是簡(jiǎn)化了的電路連線結(jié)構(gòu)圖。1 引 言 電子電路要正常工作，電源必不可少，并且電源性能對(duì)電路、電子儀器和電子設(shè)備的使用壽命、使用性能等影響很大，尤其在帶有感性負(fù)載的電路和設(shè)備(如電機(jī))中，對(duì)電源的性能要求更高。在很多應(yīng)用直流電機(jī)的場(chǎng)合中，要求為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路提供1

2、個(gè)其輸出能從0 V開始連續(xù)可調(diào)(024 V)的直流電源，并且要求電源有保護(hù)功能。實(shí)際上就是要求設(shè)計(jì)一個(gè)具有足夠調(diào)壓范圍和帶負(fù)載能力的直流穩(wěn)壓電源電路。該電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)，其要求是輸出電壓從0 V開始連續(xù)可調(diào)；所選器件和電路必須達(dá)到在較寬范圍內(nèi)輸出電壓可調(diào)；輸出電壓應(yīng)能夠適應(yīng)所帶負(fù)載的啟動(dòng)性能。此外，電路還必須簡(jiǎn)單可靠，能夠輸出足夠大的電流。 2 電路的設(shè)計(jì)符合上述要求的電源電路的設(shè)計(jì)方法有很多種，比較簡(jiǎn)單的有3種：(1)晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路。電路框圖如圖1所示，該電路中，輸出電壓UO經(jīng)取樣電路取樣后得到取樣電壓，取樣電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較得到誤差電壓，該誤差電壓對(duì)調(diào)整管的工

3、作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而使輸出電壓發(fā)生變化，該變化與由于供電電壓UI發(fā)生變化引起的輸出電壓的變化正好相反，從而保證輸出電壓UO為恒定值(穩(wěn)壓值)。因輸出電壓要求從0 V起實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，因此要在基準(zhǔn)電壓處設(shè)計(jì)輔助電源，用于控制輸出電壓能夠從0 V開始調(diào)節(jié)。單純的串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電源電路很簡(jiǎn)單，但增加輔助電源后，電路比較復(fù)雜，由于都采用分立元件，電路的可靠性難以保證。(2)采用三端集成穩(wěn)壓器電路。如圖2所示，他采用輸出電壓可調(diào)且內(nèi)部有過載保護(hù)的三端集成穩(wěn)壓器，輸出電壓調(diào)整范圍較寬，設(shè)計(jì)一電壓補(bǔ)償電路可實(shí)現(xiàn)輸出電壓從0 V起連續(xù)可調(diào)，因要求電路具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，需設(shè)計(jì)一軟啟動(dòng)電路以適應(yīng)所帶負(fù)載的啟動(dòng)性

4、能。該電路所用器件較少，成本低且組裝方便、可靠性高。(3)用單片機(jī)制作的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。該電路采用可控硅作為第一級(jí)調(diào)壓元件，用穩(wěn)壓電源芯片LM317，LM337作為第二級(jí)調(diào)壓元件，通過AT89CS51單片機(jī)控制繼電器改變電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值，從而改變調(diào)壓元件的外圍參數(shù)，并加上軟啟動(dòng)電路，獲得024 V，0.1 V步長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)1 A，同時(shí)可以顯示電源電壓值和輸出電流值的大小。其硬件電路主要包括變壓器、整流濾波電路、壓差控制電路、穩(wěn)壓及輸出電壓控制電路、電壓電流采樣電路、掉電前重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、單片機(jī)、鍵盤顯示等幾部分，硬件部分原理圖如圖3所示。正、負(fù)端壓差控制電路的作用是減少LM317和LM3

5、37輸入端和輸出端的壓差以降低LM317和LM337的功耗。穩(wěn)壓電路由三端穩(wěn)壓芯片LM317(負(fù)壓用LM337)及外圍器件組成，輸出電壓控制電路采用繼電器控制的電阻網(wǎng)絡(luò)。電阻網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)電阻都需要精密匹配，電阻的精密程度直接影響輸出電壓的精度。電壓電流采樣電路由單片機(jī)控制實(shí)時(shí)對(duì)當(dāng)前電壓電流進(jìn)行采樣，以修正輸出電壓值。掉電前重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路用以保存當(dāng)前設(shè)置的電壓值，可以方便用戶在重新上電后不用設(shè)置，而且也不會(huì)因?yàn)殡妷褐颠^高損壞用戶設(shè)備。該電源穩(wěn)定性好、精度高，并且能夠輸出±24 V范圍內(nèi)的可調(diào)直流電壓，且其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，但是電路比較復(fù)雜，成本較高，使用于要求較高的場(chǎng)合。

6、在實(shí)際中，如果對(duì)電路的要求不太高(這種情況較多)，多采用第二種設(shè)計(jì)方案。3 實(shí)際電路的設(shè)計(jì)電路采用三端集成穩(wěn)壓器電路方案，電路原理圖如圖4所示。其中IC為三端集成穩(wěn)壓器。晶體管T，阻R3，和電容器C組成軟啟動(dòng)電路。電阻R4和二極管D組成電壓補(bǔ)償電路。電容C2為輸出濾波電容。(1)三端集成穩(wěn)壓器LM317及其調(diào)壓原理。圖4中IC采用了LM317系列三端集成穩(wěn)壓器，其輸出電壓調(diào)節(jié)范圍可達(dá)1.2537 V，輸出電流可達(dá)1.5 A，內(nèi)部帶有過載保護(hù)電路，具有穩(wěn)壓精度高、工作可靠等特點(diǎn)。其輸出電壓的調(diào)節(jié)原理如圖5所示。由于LM317的2，3腳之間的電壓U32為一穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓(1.25 V)，故有：其中

7、，R1為固定電阻，故調(diào)節(jié)R2可以調(diào)節(jié)輸出電壓UO，并且UO的最小值為1.25 V。(2)電壓補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)。因要求輸出電壓從0 V起調(diào)，LM317集成穩(wěn)壓器不能直接滿足要求，需設(shè)計(jì)一個(gè)電壓補(bǔ)償電路，抵消LM317的1.25 V最小輸出電壓。電壓補(bǔ)償電路由電阻R4和二極管D組成。式中，U3為L(zhǎng)M317的3腳電壓；UO為輸出電壓；UD為二極管D的正向壓降，即為補(bǔ)償電壓，其值略大于LM317的基準(zhǔn)電壓(1.25 V)。這里用3只串聯(lián)的鍺材料整流二極管的導(dǎo)通壓降來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)調(diào)節(jié)R2少，使U3達(dá)到與UD相等時(shí)，輸出電壓即為0 V。之后，當(dāng)調(diào)節(jié)R2逐漸增大時(shí)，UO即由0 V開始增大。由于負(fù)載電流流過D，故D

8、的最大工作電流應(yīng)能適應(yīng)負(fù)載電流的要求。圖5中R4用于給D提供工作電流。(3)軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)。軟啟動(dòng)電路由晶體管T，電阻R3，R和電容器C組成。其作用是使電路輸出電壓UO有一個(gè)緩慢的上升過程，以適應(yīng)感性負(fù)載(如直流電機(jī))的啟動(dòng)特性。當(dāng)輸入電壓UI接入時(shí)，因C上的電壓不能突變，故T因基極電位較高而飽和導(dǎo)通，使U2(LM317的2腳電位)和U3都很低，故UO很小，隨著C的充電，T的基極電位下降，其集電極電位(即U2)升高，使U3升高(因U32為一穩(wěn)定電壓)，所以UO也升高。當(dāng)C充滿電時(shí)，T被截止，啟動(dòng)電路失去作用，UO也達(dá)到設(shè)定值。啟動(dòng)的時(shí)間可以通過改變C和R的值進(jìn)行調(diào)整。(4)改進(jìn)方案。由于該電路

9、的輸出電壓的調(diào)整完全依賴電電位器R2的改變，因此R2的改變范圍較大，這樣在輸出電壓的調(diào)整過程中，容易調(diào)過頭或調(diào)不足，要準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)024 V寬范圍的電壓任一電壓有些調(diào)整比較麻煩，必須反復(fù)調(diào)整，只依賴R2是比較困難的，如果將電位器R2用一個(gè)電位器R2'和電阻R檔串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，通過一個(gè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)電阻R檔的改變從而改變輸出電壓的范圍，并在所選擇的輸出電壓范圍內(nèi)通過改變電位器R2'的阻值得到所需要的準(zhǔn)確的直流電壓輸出。電路如圖6所示。(5)電路主要測(cè)試數(shù)據(jù)。接上電源變壓器和整流濾波電路以后對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果為：電路在負(fù)載為1 A時(shí)輸出電壓調(diào)整范圍如表1所示；在輸出電壓為額定值(24 V)下的

10、負(fù)載特性如表2所示。電網(wǎng)電壓波動(dòng)±10(負(fù)載電流1 A)情況下輸出電壓如表3所示。4 結(jié) 語(yǔ)該穩(wěn)壓電路應(yīng)用三端集成穩(wěn)壓電器，并加入補(bǔ)償電壓的方法解決LM317系列輸出電壓不能從0 V開始起調(diào)的問題。軟啟動(dòng)電路的引入適應(yīng)負(fù)載的啟動(dòng)特性。電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完善、可靠性高電子初學(xué)者的重要訓(xùn)練課題之一就是用三端集成穩(wěn)壓器組裝輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電源（見圖 1 ），但初學(xué)電子的網(wǎng)友們很多都是第一次使用三端集成穩(wěn)壓器，希望能更多地了解它的應(yīng)用知識(shí)，對(duì)此，筆者和初學(xué)者進(jìn)行了討論。    同學(xué)：我在電子元件商店見到三端穩(wěn)壓集成塊的品種很多，外形和產(chǎn)品型號(hào)也各不相同，這種

11、穩(wěn)壓器件可以分成哪幾種主要類型呢？    老師：國(guó)產(chǎn)三端集成穩(wěn)壓器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化了，按照它們的性能和不同用途，可以分成兩大類，一類是固定輸出正壓（或負(fù)壓）三端集成穩(wěn)壓器 W7800 （ W7900 ）系列，另一類是可調(diào)輸出正壓（或負(fù)壓）三端集成穩(wěn)壓器 W317 （ W337 ）系列。前者的輸出電壓是固定不變的，后者可在外電路上對(duì)輸出電壓進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。今天大家裝機(jī)使用的就是三端可調(diào)正壓輸出集成穩(wěn)壓器 W317 。    同學(xué)：怎樣用固定電壓輸出三端集成穩(wěn)壓器組成穩(wěn)壓電源呢？    老師：這種電源電路很簡(jiǎn)

12、單，我先畫出電路圖（圖 2 ）。三端穩(wěn)壓器的輸入端接在整流濾波電路的后面，輸出端直接接負(fù)載，公共端接地，電源就能正常工作，輸出穩(wěn)定的直流電壓。但是，在實(shí)際應(yīng)用中為了抑制高頻干擾并防止產(chǎn)生自激振蕩，在它的輸入端并聯(lián)了電容器 C1 ，輸出端并聯(lián)了電容器 C2 。    同學(xué)：國(guó)產(chǎn)固定輸出三瑞穩(wěn)壓器產(chǎn)品有多少種輸出電壓可供選擇？對(duì)它的輸入電壓 U i 有什么要求呢？    老師：固定輸出正壓（或負(fù)壓）三端集成穩(wěn)壓器產(chǎn)品的輸出電壓（絕對(duì)值）有 5V 、 6V 、 9V 、 12V 、 15V 、 18V 、 24V 共 7 種，可以根據(jù)實(shí)際需

13、要選擇使用。為了保證穩(wěn)壓器能夠正常工作，要求輸入電壓 U i 與輸出電壓 U o 的差值應(yīng)大于 3V 。壓差太小，會(huì)使穩(wěn)壓器性能變差，甚至不起穩(wěn)壓作用；壓差太大，又會(huì)增大穩(wěn)壓器自身消耗的功率，并使最大輸出電流減小。廠家對(duì)每種型號(hào)的穩(wěn)壓器都規(guī)定了最大輸入電壓值。一般取 U i -U o 為 3 7V 。    同學(xué)：從型號(hào)上怎樣體現(xiàn)三端穩(wěn)壓器輸出電壓的大小呢？    老師：我們以 W7800 系列的穩(wěn)壓器產(chǎn)品為例，一般都用“ 78 ”后面的數(shù)字表示輸出電壓的大小。例如， W7806 表示輸出電壓為 6V ； W7812 表示輸出電壓為

14、12V ，等等。    同學(xué)：三端穩(wěn)壓器的輸出電流有多大呢？    老師：三端集成穩(wěn)壓器按最大輸出電流不同又可分成三個(gè)系列： W7800 、 W317 系列的最大輸出電流為 1.5A ； W78M00 、 W317M 系列的最大輸出電流為 0.5A ； W78IDO 、 W317L 系列的最大輸出電流為 0.1A 。    同學(xué)：我在商店里看到三端穩(wěn)壓集成塊有好幾種不同的外形。    老師：國(guó)產(chǎn)三端穩(wěn)壓器的封裝形式有 F-2 型、 TO-92 型、 S 1 型、 S-7 型等

15、多種，我這里有幾種樣品（圖 3 ），大家可以看一看。需要特別說明的是，三個(gè)引腳的排列和它們的功能，對(duì)不同型號(hào)的產(chǎn)品或不同廠家的產(chǎn)品可能并不相同，使用時(shí)一定要看說明書。    同學(xué)：固定輸出電壓三端穩(wěn)壓器在外部電路接上一些元件能不能改變它的輸出電壓呢？    老師：實(shí)際上固定輸出電壓三端穩(wěn)壓器的應(yīng)用也是靈活多樣的，可以用它組成幾十種不同功能的電路。我現(xiàn)在畫一種能提高輸出電壓的電路（圖 4 ），它只需要在穩(wěn)壓器輸出端和地之間接上一個(gè)由電阻 R1 和 R2 組成的電阻分壓電路，把穩(wěn)壓器公共端接在分壓點(diǎn)上，就能提高輸出電壓，決定輸出電壓大小的

16、計(jì)算公式是只要選定 R1 、 R2 的比值，就能得到所需的輸出電壓。需要注意，要提高輸出電壓 U o ，就必須相應(yīng)地提高輸入電壓 U i ，一般應(yīng)使輸入電壓高于輸出電壓 3 5V 。  同學(xué)：能不能用 W7800 系列穩(wěn)壓器組成電壓連續(xù)可謂的穩(wěn)壓電源呢？    老師：可以。組成這種可謂的穩(wěn)壓電源的電路形式也很多。就拿剛剛介紹的電路（圖 4 ）來說，把 R2 換成可變電阻，就可以通過調(diào)節(jié) R2 來改變輸出電壓（圖 5 ）。只不過這種穩(wěn)壓電源的精度不高，為了提高穩(wěn)壓性能，可在外電路接入一個(gè)由高增益運(yùn)算放大器 A741 組成的電壓跟隨器，電位器 RP=R1 R

17、2 構(gòu)成取樣電路（圖 6 ），這個(gè)穩(wěn)壓電源的輸出電壓 U o 可以在 7 20V 范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。只不過這種電路需要外接集成運(yùn)算放大器，成本高、精度低、耗電大，已經(jīng)較少采用了。     同學(xué)：如果想要擴(kuò)展三端穩(wěn)壓器的輸出電流，有沒有可能呢？    老師：三端穩(wěn)壓器的最大輸出電流取決于內(nèi)部調(diào)整管的集電極最大允許電流。如果想要擴(kuò)展穩(wěn)壓電路的輸出電流，可以在外電路接入一個(gè)大功率三極管，使它與內(nèi)部調(diào)整管組成復(fù)合調(diào)整管（圖 7 ）。三端穩(wěn)壓器 W7800 的最大輸出電流為 1.5A ，外接一個(gè) PNP 型大功率三極管 3AD30C ，

18、它可以輸出 3.5A 的電流，這樣，整個(gè)穩(wěn)壓電源的輸出電流就是 5A 了。    同學(xué)：三端可調(diào)輸出電壓穩(wěn)壓器 W317 有什么特點(diǎn)呢？    老師： W317 是一種可調(diào)輸出正壓三端集成穩(wěn)壓器（圖 8 ），它的三個(gè)端子除了輸入端和輸出端外，第三個(gè)端子 A Dj 不是公共端（接地端），而是電壓調(diào)整端，通過調(diào)整端外接兩個(gè)電阻 R1 、 R2 組成調(diào)壓電路，就能組成一個(gè)輸出電壓連續(xù)可調(diào)的穩(wěn)壓電源（圖 9 ）。請(qǐng)看這個(gè)電路圖，只需調(diào)節(jié)可變電阻 R2 ，就能使輸出電壓 U o 在 1.2 37V 范圍內(nèi)連續(xù)變化。   &#

19、160;  同學(xué)：我們剛剛制作的電源電路（圖 1 ）比較復(fù)雜，您再給我們分析一下它的工作原理吧。    老師：今天大家組裝的是 W317 （有的產(chǎn)品型號(hào)叫 LM317 ）的典型應(yīng)用電路。虛線左邊是大家熟悉的整流濾波電路，虛線右邊是以 W317 為核心的可調(diào)穩(wěn)壓電路。電阻 R1 和可變電阻 R2 構(gòu)成取樣電路， C2 是為了減小取樣電阻 R2 兩端的紋波電壓而并聯(lián)的旁路電容器， C3 、 C4 的作用仍是用來抑制高頻干擾和防止產(chǎn)生自激振蕩。需要說明的是兩個(gè)二極管的作用， VD1 是保護(hù)二極管，用來防止輸入端發(fā)生短路時(shí)因 C4 放電可能造成的內(nèi)部調(diào)整管的損壞

20、。 VD2 也是保護(hù)二極管，當(dāng)輸出端出現(xiàn)短路時(shí)， C2 兩端的電壓作用在 VD2 兩端使它正偏而導(dǎo)通，為 C2 提供放電通路，避免 C2 上的電壓擊穿內(nèi)部的放大管。    同學(xué)：為什么穩(wěn)壓集成塊要裝散熱器呢？    老師：三端穩(wěn)壓器屬于功率半導(dǎo)體器件，它作為整機(jī)或局部電路的電源，需要輸出一定的功率，特別是內(nèi)部的調(diào)整管，供給的是全部負(fù)載電流，因此，在使用過程中穩(wěn)壓器件要發(fā)熱，使芯片溫度升高，限制了它的最大功率 P maxo 。例如，在不加散熱片時(shí)， F 2 型封裝最大功率 P max 為 2.5W ， S 7 型封裝為 2W 。加裝規(guī)定

21、的散熱器后，前者 P max 15W ，后者 P max 7.5W 。 P max 稱為極限運(yùn)用功率。散熱器的散熱面積一般不應(yīng)小于 100mm 2 。    同學(xué)：三端穩(wěn)壓器在使用中怎樣才能保證不會(huì)超過它的極限運(yùn)用功率 P max 呢？    老師：三端穩(wěn)壓器內(nèi)部的調(diào)整管兩端的電壓為 U ce =U i -U o ，流過管子的電流為全部負(fù)載電流 I o ，所以調(diào)整管的功率損耗為 P （ U i -U o ） I o ， U i 是固定不變的，為保證使用中 PP max ，輸出電壓 U o 越小，相應(yīng)的負(fù)載電流 I o 也應(yīng)越小。實(shí)際上

22、三端穩(wěn)壓器內(nèi)部都沒有調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)電路，一旦 U i -U o 超出容許值，輸出電流會(huì)自動(dòng)下降，保證調(diào)整管的功耗在安全區(qū)之內(nèi)。復(fù)合三極管是將兩個(gè)和更多個(gè)晶體管的集電極連在一起，而將第一只晶體管的發(fā)射極直接耦合到第二只晶體管的基極，依次連接而成，最后引出E、B、C三個(gè)電極。也叫達(dá)林頓管，其放大倍數(shù)是兩者放大倍數(shù)的乘積。一般應(yīng)用于功率放大器、穩(wěn)壓電源電路中。復(fù)合三級(jí)管的電路連接· 達(dá)林頓通常由兩個(gè)三極管組成，這兩個(gè)三極管可以是同型號(hào)的，也可以是不同型號(hào)的；可以是相同，也可以是不同功率。無論怎樣組合連接，最后所構(gòu)成的達(dá)林頓三極管的放大倍數(shù)都是二者放大倍數(shù)乘積。達(dá)林頓管電路連接一般有四種接法：即NPN+NPN、+PNP、NPN+PNP、PNP+NPN。它們連接如圖所示。圖a、b所示同極性接法；圖c、d所示異極性接法。在實(shí)示應(yīng)用中，用得最普遍是前兩種同極性接法。通常，圖a接法達(dá)林頓三極管叫“NPN達(dá)林頓三極管”；而圖b接法的達(dá)林頓三極管稱為“PNP達(dá)林頓管”。兩個(gè)三極管復(fù)合成一個(gè)新的達(dá)林頓管后，他的三個(gè)電極仍然叫：B基極、  C集電極、  E發(fā)射極。達(dá)林頓管有一個(gè)特點(diǎn)就是兩個(gè)三極管中，前面三極管的功率一般比后面三極管的要小，前面三極管基極為達(dá)林頓管基極，后面三極管射極為達(dá)林頓管射極。所以達(dá)林頓管在電路中使用方法與單個(gè)普通三極管一樣，只是放大倍數(shù)是兩個(gè)三極