電路分析基礎(chǔ)直流電源

1、電路圖，是通過電路元件符號繪制的電了元件連線走向圖，它詳細的描繪了各個 元件的連線和走向，齊個引腳的說明，和一些檢測數(shù)據(jù)。（元件符號是國際統(tǒng)一 制定的）pcb圖，是電路板的映射圖紙，它詳細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，它詳細的描繪了電路的大致原理，兀 件和信號的走向，可以說是簡化了的電路連線結(jié)構(gòu)圖。1引言電子電路耍正常工作，電源必不可少，并且電源性能對電路、電子儀器和電子設(shè)備的使用壽命、使用性能 等影響很人，尤其在帶有感性負載的電路和設(shè)備（如電機）中，對電源的性能耍求更奇。在很多應用直流電 機的場合中，要求為電機驅(qū)動電路提

2、供1個其輸出能從0 v開始連續(xù)可調(diào)（024 v）的直流電源，并且耍求 電源有保護功能。實際上就是要求設(shè)計一個具有足夠調(diào)壓范圍和帶負載能力的直流穩(wěn)壓電源電路。該電路 的設(shè)汁關(guān)鍵在于穩(wěn)壓電路的設(shè)訃，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到在較 寬范圍內(nèi)輸出電壓可調(diào)；輸出電壓應能夠適應所帶負載的啟動性能。此外，電路還必須簡單可黑，能夠輸 出足夠大的電流。2電路的設(shè)計符合上述要求的電源電路的設(shè)計方法有很多種，比較簡單的有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u0經(jīng)取樣電路取樣后得到取 樣電壓,取樣電壓與基準電壓進行比較得到誤差電壓，該誤差電壓對

3、調(diào)整管的工作狀態(tài)進行調(diào)整，從而使 輸出電壓發(fā)生變化，該變化與由于供電電壓門發(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起實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，因此耍在基準電壓處設(shè)計輔助電源，用 于控制輸出電壓能夠從0 v開始調(diào)節(jié)。圖】串聯(lián)式稔壓電源電路單純的串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電源電路很簡單，但増加輔助電源后，電路比較復雜，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)部冇過載保護的三端集成穩(wěn)壓器，輸 出電壓調(diào)整范圍較寬，設(shè)計一電壓補償電路可實現(xiàn)輸出電壓從0 v起連續(xù)可調(diào)，因耍求電路具有很強的帶 負載能力

4、，需設(shè)計一軟啟動電路以適應所帶負載的啟動性能。該電路所用器件較少，成本低且組裝方便、 可靠性高。圖2電路結(jié)構(gòu)框圖用單片機制作的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。該電路采用可控硅作為第一級調(diào)壓元件，用穩(wěn)壓電源芯片lm317, lm337作為第二級調(diào)壓元件，通過at89cs51單片機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)，并加上軟啟動電路，獲得024 v, 0.1 v步長，驅(qū)動能力可達1 a,同時可以顯示電源電壓值 和輸出電流值的大小。其破件電路主要包擠變壓器、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、掉電前匝要數(shù)據(jù)存儲電路、單片機、鍵盤顯示等幾部分，s!件部分原

5、理圖如圖3所示。圖3 用單片機制作的直流穩(wěn)壓可調(diào)電源交斥»正、負端壓差控制電路的作用是減少lm317和lm337輸入端和輸出端的壓差以降低lm317和lm337的功耗。 穩(wěn)壓電路山三端穩(wěn)壓芯片lm317（負壓用lm337）r外圍器件組成，輸出電圧控制電路采用繼電器控制的電阻 網(wǎng)絡(luò)。電阻網(wǎng)絡(luò)的每個電阻都需要粘:密匹配，電阻的粘:密程度直接影響輸出電床的粘度。電床電流采樣電 路由單片機控制實時對當前電壓電流進行采樣，以修正輸出電壓值。掉電詢重要數(shù)據(jù)存儲電路用以保存當 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，而且也不會因為電壓值過高損壞用戶設(shè)備。該電源穩(wěn)定性好、精度高，并口能夠輸

6、iij+24 v范圍內(nèi)的可調(diào)肓流電壓，且其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的可調(diào)直流穩(wěn) 壓電源，但是電路比較復雜，成本較髙，使用于耍求較高的場合。在實際中，如果對電路的耍求不太高（這 種情況較多），多采用第二種設(shè)計方案。3實際電路的設(shè)計 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1c為三端集成穩(wěn)壓器。晶體管t,阻r 3,和電容器c組成軟啟動電路。電阻r4和二極管d組成電壓補償電路。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1.2537 v,輸出電流可達1.5 a,內(nèi)部帶有過載保護電路,具有穩(wěn)壓精度高、

7、工作可靠等特點。 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)定的基準電壓(1.25 v), 故有：s = 4(1 +斛=1.25(1+斛其中，r1為固定電阻,故調(diào)節(jié)r2可以調(diào)節(jié)輸出電壓u0,并且u0的最小值為1.25 v。圖4 輸出電壓可調(diào)的aitu壓電源電珞原理圖電壓補償電路的設(shè)計。因要求輸出電壓從0v起調(diào)，lm317集成穩(wěn)壓器不能直接滿足要求，需設(shè)計一個 電壓補償電路，抵消lm317的1.25 v最小輸出電壓。電壓補償電路山電阻r4和二極管d組成。u。= 5 ud式中,u3為lm317的3腳電壓;u0為輸出電壓;ud為二極管d的正向壓降,即為補償電壓,

8、其值略大于l m317的基準電壓(1.25 v).這里用3只串聯(lián)的錯材料整流二極管的導通壓降來實現(xiàn)。當調(diào)節(jié)r2少，使u3 達到與ud相等時，輸出電壓即為0v。之后，當調(diào)節(jié)r2逐漸增大時，u0即山0v開始增大。由于負載電 流流過d,故d的鼓大工作電流應能適應負載電流的要求。圖5中r4用于給d提供工作電流。圖5 輸出電壓調(diào)節(jié)原理(3)軟卅動電路設(shè)計。軟卅動電路由品體管t,電p.iir3, r和電容器c組成。其作用是使電路輸出電壓u0 有一個緩慢的上升過程，以適應感性負載(如直流電機)的卅動特性。當輸入電壓門接入時，因c上的電壓不能突變,故t因基極電位較高而飽和導通,使u2（lm317的2腳電位）和

9、u3都很低,故u0很小,隨著c 的充電，t的基極電位下降，其集電極電位（即u2）升鬲，使u3升高（因u32為一穩(wěn)定電壓），所以u0也升 高。當c充滿電時，t被截止，啟動電路失去作用，也達到設(shè)定值。啟動的時間可以通過改變c和r的 值進行調(diào)整。（4）改進方案。由于該電路的輸出電壓的調(diào)整完全依賴電電位器r2的改變，因此r2的改變范囤較大，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，要準確地實現(xiàn)024 v寬范圍的電壓任一電壓有些調(diào)整 比較麻煩，必須反復調(diào)整，只依賴r2是比較因難的，如果將電位器r2川一個電位器r2'和電阻r檔串聯(lián) 實現(xiàn)，通過一個開關(guān)實現(xiàn)電阻r檔的改變從而改變輸出電壓的范圍

10、，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確的直流電壓輸出。電路如圖6所示。圖6電壓調(diào)整部分電路圖電路寶要測試數(shù)據(jù)。接上電源變壓器和整流濾波電路以后對電路進行測試的結(jié)果為：電路在負載為1 a 時輸出電壓調(diào)整范圍如農(nóng)1所示；在輸出電壓為額定值v）下的負載特性如農(nóng)2所示。電網(wǎng)電壓波動±1 0% （負載電流1 a）情況下輸出電壓如表3所示。« 1輸出電壓調(diào)節(jié)范紋電浪/a0111 11輸出電壓/v0. 00s.0010,0015.0020.0025.00衰2電踣負賤特性金儀電沆/a0.20,30.40.50.6出電壓/v24.0023.9824.

11、0124.0023. 99"試電濂/a0.70.80.91.0出電壓/v24.0024.0124. 0024.00*3議定負«u1a）下電網(wǎng)波動±10%時出電壓變化電網(wǎng)電& /v檢岀電& /v22024.0019823. 5824224.454結(jié)語該穩(wěn)壓電路應用三端集成穩(wěn)壓電器，并加入補償電壓的方法解決lm317系列輸出電壓不能從0 v開始起調(diào) 的問題。軟啟動電路的引入適應負載的啟動特性。電路的結(jié)構(gòu)簡單、功能完善、可靠性高電子初學者的重要訓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）,但初學電子的網(wǎng)友們很多都是第一次使用三端

12、集成穩(wěn)壓器, 希望能更多地了解它的應用知識，對此，筆者和初學者進行了討論。同學：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 也各不相同，這種穩(wěn)壓器件可以分成哪幾種主要類型呢？老師：國產(chǎn)三端集成穩(wěn)壓器已經(jīng)標準化、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（或負壓）三端集成穩(wěn)壓器w78 00 （ w7900 ）系列，另一類是可調(diào)輸出正壓（或負壓）三端集成穩(wěn)壓器w3 17 （ 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輸出 電壓進行連續(xù)調(diào)節(jié)。今天大家裝機使用的就是三端可調(diào)正壓輸出集成穩(wěn)壓器w3 17。同學：怎樣用固定電壓輸出三端集

13、成穩(wěn)壓器組成穩(wěn)壓電源呢？老師：這種電源電路很簡單，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，輸出端直接接負載，公共端接地，電源就能正常工 作，輸岀穩(wěn)定的直流屯壓。但是，在實際應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。vni人増w780oat波電踣c2接負魚c10. 033m公共增同學：國產(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？對它的輸入電壓u i有什么要求呢？老師：固定輸出正壓（或負壓）三端集成穩(wěn)壓器產(chǎn)品的輸岀電壓（絕對值） 有5v、6v、9v、12v、15v、18v、24v共7種，可以根據(jù)實際 需

14、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的差值應大于3v。壓差太小，會使穩(wěn)壓器性能變差，甚至不起穩(wěn)壓作用; 壓差太大，又會增大穩(wěn)壓器h身消耗的功率，并使最大輸出電流減小。廠家對每 種型號的穩(wěn)壓器都規(guī)定了最大輸入電壓值。一般取u iu o為37v o同學：從型號上怎樣體現(xiàn)三端穩(wěn)壓器輸岀電壓的大小呢？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表示輸岀電壓為12v ,等等。同學：三端穩(wěn)壓器的輸出蛆有多大呢？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系列：w

15、7800、 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：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，三個引腳的排列和它們的功能，對不同型號的產(chǎn)品或不同廠家的產(chǎn)品可能并 不相同，使用時一定要看說明書。2 出靖3公共細w78ooto- 920 78loow1 3 2 s 7 】一人第 2 出 3公共礙i 2 31 一人2公共3 出站

16、w317s-72 出冷w317ls-12- 岀爼3 人56同學：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：實際上固定輸出電壓三端穩(wěn)壓器的應用也是靈活多樣的，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z間接上一個由理 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上，就能提高輸出電壓，決定輸出電壓大小的計 算公式是uouxx(if)uit +uow78oo |_-j-一0uxx hr156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 出屯壓u o ,就必須相應地

17、提高輸入電壓u i ,般應使輸入電壓高于輸出 電壓35v o同學：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 路接入一個由高增益運算放大器pa741組成的電壓跟隨器，電位器rp=r1 + r2構(gòu)成取樣電路（圖6 ）,這個穩(wěn)壓電源的輸出電壓u o可以在720 v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算放大器，成本高、精度 低、耗電大，已經(jīng)較少采用了。人同學：如果想要擴

18、展三端穩(wěn)床器的輸出電流，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。 如果想要擴展穩(wěn)壓電路的輸出噠，可以在外電路接入一個大功率三極管,使它 與內(nèi)部調(diào)整管組成復合調(diào)整管（圖7 ） o三端穩(wěn)壓器w7800的最大輸出電流 為1.5a ,外接一個pnp型大功率三極管3ad3oc ,它可以輸出3.5a的電流，這樣，整個穩(wěn)壓電源的輸出電流就是5a tovt 3 5a同學：三端可調(diào)輸出電壓穩(wěn)壓器w317有什么特點呢？老師：w317是一種可調(diào)輸出正壓三端集成穩(wěn)壓器（圖8 ）,它的三個端 子除了輸入端和輸出端外，第三個端子a dj不是公共端（接地端），而是電 壓調(diào)整端，通過

19、調(diào)整端外接兩個電阻rl、r2組成調(diào)壓屯路，就能組成一個 輸出電壓連續(xù)可調(diào)的穩(wěn)壓電源（圖9 ）。請看這個電路圖，只需調(diào)節(jié)可變電阻 r2 ,就能使輸出電壓u o在1.237v范圍內(nèi)連續(xù)變化。uio-c10. iprl "240號& rw317同學：我們剛剛制作的電源電路（圖1）比較復朵，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)品型號叫l(wèi)m317 ）的典型應用電 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、

20、c4的作用仍是用來抑制高頻 干擾和防止產(chǎn)生口激振蕩。需要說明的是兩個輕管的作用，vd1是保護二極 管，用來防止輸入端發(fā)生短路時因c4放電可能造成的內(nèi)部調(diào)整管的損壞。v d2也是保護二極管，當輸出端出現(xiàn)短路時，c2兩端的電壓作用在vd2兩端 使它正偏而導通，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：為什么穩(wěn)壓集成塊要裝散熱器呢？老師：三端穩(wěn)壓器屈丁功率半導體器件，它作為整機或局部電路的電源，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 o 例如，在不加散熱片時，f - 2型封裝

21、最大功率p max為2.5w , s - 7 型封裝為2w。加裝規(guī)定的散熱器后，前者p max >15w ,后者p max >7. 5w o p max稱為極限運用功率。散熱器的散熱而積一般不應小于100mm 2。同學:三端穩(wěn)壓器在使用中怎樣才能保證不會超過它的極限運用功率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 iu o ,流過管了 的電流為全部負載電流i o ,所以調(diào)整管的功率損耗為p = ( u iu o ) i o , u i是固定不變的，為保證使用中p<p max ,輸出電壓u o越小，相 應的負載電流i o也應越小。實際上三端穩(wěn)壓器內(nèi)

22、部都沒有調(diào)整管安全工作區(qū) 保護電路，一旦u iu o超出容許值，輸出電流會門動卜降，保證調(diào)整管的功 耗在安全區(qū)之內(nèi)。復合三極管是將兩個和更多個晶體管的集電極連在一起，而將笫一只晶體管的發(fā)射極直接耦 合到第二只晶體管的基極，依次連接而成，最示引出e、b、c三個電極。也叫達林頓管， 其放大倍數(shù)是兩者放大倍數(shù)的乘積。一般應用于功率放大器、穩(wěn)壓電源電路中。復合三級管的電路連接達林頓三極管通常由兩個三極管組成，這兩個三極管町以是同型號的，也可以是不同型號的；可以是和同功率，也可以是不同功率。無論怎樣組合連接，®后所構(gòu)成的達林頓三極管的放大倍數(shù)都是二者放大倍數(shù)乘積。達林頓管電路連接一般有四種接法

23、：即npn + npn、pnp + pnp、npn + pnp、pnp+npno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。在實示應用小，用得最普遍是前兩種同極性接法。通常，圖a接法達林頓三極管叫''npn達林頓三極管； 而圖b接法的達林頓三極管稱為''pnp達林頓管。兩個三極管復合成一個新的達林頓管后，他的三個電極仍然叫：b->基極、c-集電極、e->發(fā)射極。達林頓管有一個特點就是兩個三極管中，前而三極管的功率一般比后而三極管 的耍小，前面三極管基極為達林頓管基極，后面三極管射極為達林頓管射極。所以 達林頓管在電路中使用方法與單個普通三極管一樣，只是放大倍數(shù)p是兩個三極管