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子元件連線走向圖， 它詳細(xì)的描繪了各個 元件的連線和走向，各個引腳的說明，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(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引言電子電路要正常工作，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 等影響很大，尤其在帶有感性負(fù)載的電路和設(shè)備（如電機）中，對電源的性能要求更高。在很多應(yīng)用直流電機的場合中，要求為電機驅(qū)動電路

2、提供 1個其輸出能從0 V開始連續(xù)可調(diào)（024 V）的直流電源，并且要求 電源有保護(hù)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(fù)載能力的直流穩(wěn)壓電源電路。該電路 的設(shè)計關(guān)鍵在于穩(wěn)壓電路的設(shè)計，其要求是輸岀電壓從0V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)輸岀電壓可調(diào)；輸岀電壓應(yīng)能夠適應(yīng)所帶負(fù)載的啟動性能。此外，電路還必須簡單可靠，能夠輸 岀足夠大的電流。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，輸岀電壓 U0經(jīng)取樣電路取樣后得到取樣電壓，取樣電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)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(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U0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)，因此要在基準(zhǔn)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)。單純的串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電源電路很簡單，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，他采用輸岀電壓可調(diào)且內(nèi)部有過載保護(hù)的三端集成穩(wěn)壓器，輸岀電壓調(diào)整范圍較寬，設(shè)計一電壓補償電路可實現(xiàn)輸岀電壓從0V起連續(xù)可調(diào)，因要求電路具有很強的帶負(fù)載能力，需設(shè)計一軟啟動電

4、路以適應(yīng)所帶負(fù)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。（3）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(dá)1 A，同時可以顯示電源電壓值和輸岀電流值的大小。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)存儲電路、單片機、鍵盤顯示等幾部分，硬件部分原理圖如圖3所示。ft1L&

5、1itI1I-H V9 3 用單片帆啊作帕朮詭魏壓可謂電黑正、負(fù)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)的每個電阻都需要精密匹配，電阻的精密程度直接影響輸岀電壓的精度。電壓電流采樣電 路由單片機控制實時對當(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，并且能夠輸岀土24 V

6、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合。在實際中，如果對電路的要求不太高（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(dá)1.2537 V,輸岀電流可達(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。

7、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：% = tv 葉鄴=E25<1 + )其中，R1為固定電阻，故調(diào)節(jié) R2可以調(diào)節(jié)輸出電壓 UQ并且U0的最小值為1.25 V。(2)電壓補償電路的設(shè)計。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。電壓補償電路由電阻R4和二極管D組成。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，其值略大于LM317的基準(zhǔn)電壓(1.25 V)。這里用3只串聯(lián)

8、的鍺材料整流二極管的導(dǎo)通壓降來實現(xiàn)。當(dāng)調(diào)節(jié) R2少，使U3 達(dá)到與UD相等時，輸出電壓即為 0 V。之后，當(dāng)調(diào)節(jié) R2逐漸增大時，U0即由0 V開始增大。由于負(fù)載電 流流過D，故D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。S 5株出電壓調(diào)節(jié)原理軟啟動電路設(shè)計。軟啟動電路由晶體管 T，電阻R3, R和電容器C組成。其作用是使電路輸出電壓 UO 有一個緩慢的上升過程， 以適應(yīng)感性負(fù)載(如直流電機)的啟動特性。當(dāng)輸入電壓UI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(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

9、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U0也升 高。當(dāng)C充滿電時，T被截止，啟動電路失去作用， U0也達(dá)到設(shè)定值。啟動的時間可以通過改變 C和R的 值進(jìn)行調(diào)整。 改進(jìn)方案。由于該電路的輸岀電壓的調(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岀電壓的范圍，并在所選擇的輸岀電壓范圍內(nèi)通過改變電位器R2'

10、;的阻值得到所需要的準(zhǔn)確的直流電壓輸岀。電路如圖6所示。囲6 電壓譏整榔金電躋圈（5）電路主要測試數(shù)據(jù)。接上電源變壓器和整流濾波電路以后對電路進(jìn)行測試的結(jié)果為：電路在負(fù)載為1 A時輸岀電壓調(diào)整范圍如表 1所示；在輸岀電壓為額定值（24 V）下的負(fù)載特性如表2所示。電網(wǎng)電壓波動土 10% （負(fù)載電流1 A）情況下輸出電壓如表 3所示。#（幽取圧曹璋011I11Mdft A /V5.00 IQg2©r OO 35. CO電A配電A /A0fcza、c, +出電a ;v24.(K24.時24. 0023, 29ajz0.70. s6 91.0出電伍丿劃 24. M 24.012< W

11、 24.00*3制定Attn 電離建爺比"時時輸出電壓醴化電 Ht A ZVriita /v22024.00«.5&2424結(jié)語該穩(wěn)壓電路應(yīng)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(yīng)負(fù)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(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，對此，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

12、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(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輸出 電壓進(jìn)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

13、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。vol acpziT1 人站T J： M_出第_ C1一1接負(fù)0* 033mQ. Lm公冀同學(xué)：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(fù)壓）三端集成穩(wěn)壓器產(chǎn)品的輸出電壓（絕對值）有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V 共7種，可以根據(jù)實際 需要選擇使用。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，會使穩(wěn)壓器

14、性能變差，甚至不起穩(wěn)壓作用； 壓差太大，又會增大穩(wěn)壓器自身消耗的功率，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 i -U o為37V。同學(xué)：從型號上怎樣體現(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

15、.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。W7BEXII人時|自一公W78OO7A1-OG W3i?S T1 2 3S 71-人1一 人第i-n*4金出編2-公黃站2-tkm3-公3 - 出崛3幡人2-出"W317L人56同學(xué)：固定輸出電壓三端穩(wěn)壓器在外部電路

16、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(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上，就能提高輸出電壓，決定輸出電壓大小的計 算公式是s也（"檢只要選定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35V o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

17、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uA741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。T0. Im56同學(xué)：如果想要擴展三端穩(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。 如果想要擴展穩(wěn)

18、壓電路的輸出 電流，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(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PNP型大功率三極管3AD30C，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 了。W7800Uio-3. 5 Af 3AD3OC同學(xué)：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，通過調(diào)整端外接兩個電阻R1、 R2組成調(diào)壓電路，就能組成一個輸出電壓連續(xù)可調(diào)的穩(wěn)壓電

19、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。o UiW317UiOW317Cl =R1-4i240OUoC2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。需要說明的是兩個二極管的作用，VD

20、1是保護(hù)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。VD2也是保護(hù)二極管，當(dāng)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(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，F(xiàn) 2型封裝最大功率P max為2.5W， S 7 型封裝為2W。加裝規(guī)定的散熱器后，前者 P m

21、ax > 15W，后者P max > 7. 5W。P max稱為極限運用功率。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 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 P< Pmax，輸出電壓U o越小，相 應(yīng)的負(fù)載電流I o也應(yīng)越小。實際上三端穩(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，輸出電流會自動下降

22、，保證調(diào)整管的功 耗在安全區(qū)之內(nèi)。復(fù)合三極管是將兩個和更多個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)合三級管的電路連接*達(dá)林頓三極管通常由兩個三極管組成， 這兩個三極管可以是同型號的，也可以是不同型號的；可以是相同 功率，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 +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”。兩個三極管復(fù)合成一個新的達(dá)林頓管后，他的三個電極仍然叫：B t基極、C t集電極、Et發(fā)射極。達(dá)林頓管有一個特點就是兩個三極管中，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普通三極管一樣，只是放大倍數(shù)3是兩個三極管放大倍數(shù)的乘積。復(fù)合三級管的主要特點*