电路分析基础直流电源

1、电路图，是通过电路元件符号绘制的电子元件连线走向图，它详细的描绘了各个元件的连线和走向，各个引脚的说明，和一些检测数据。（元件符号是国际统一制定的）PCB图，是电路板的映射图纸，它详细描绘了电路板的走线，元件的位置等。（可以说是电路板的基本结构图）电路原理图，它是电路结构的基本构造图，它详细的描绘了电路的大致原理，元件和信号的走向，可以说是简化了的电路连线结构图。1 引 言 电子电路要正常工作，电源必不可少，并且电源性能对电路、电子仪器和电子设备的使用寿命、使用性能等影响很大，尤其在带有感性负载的电路和设备(如电机)中，对电源的性能要求更高。在很多应用直流电机的场合中，要求为电机驱动电路提供1

2、个其输出能从0 V开始连续可调(024 V)的直流电源，并且要求电源有保护功能。实际上就是要求设计一个具有足够调压范围和带负载能力的直流稳压电源电路。该电路的设计关键在于稳压电路的设计，其要求是输出电压从0 V开始连续可调；所选器件和电路必须达到在较宽范围内输出电压可调；输出电压应能够适应所带负载的启动性能。此外，电路还必须简单可靠，能够输出足够大的电流。 2 电路的设计符合上述要求的电源电路的设计方法有很多种，比较简单的有3种：(1)晶体管串联式直流稳压电路。电路框图如图1所示，该电路中，输出电压UO经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工

3、作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压UI发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压UO为恒定值(稳压值)。因输出电压要求从0 V起实现连续可调，因此要在基准电压处设计辅助电源，用于控制输出电压能够从0 V开始调节。单纯的串联式直流稳压电源电路很简单，但增加辅助电源后，电路比较复杂，由于都采用分立元件，电路的可靠性难以保证。(2)采用三端集成稳压器电路。如图2所示，他采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整范围较宽，设计一电压补偿电路可实现输出电压从0 V起连续可调，因要求电路具有很强的带负载能力，需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性

4、能。该电路所用器件较少，成本低且组装方便、可靠性高。(3)用单片机制作的可调直流稳压电源。该电路采用可控硅作为第一级调压元件，用稳压电源芯片LM317，LM337作为第二级调压元件，通过AT89CS51单片机控制继电器改变电阻网络的阻值，从而改变调压元件的外围参数，并加上软启动电路，获得024 V，0.1 V步长，驱动能力可达1 A，同时可以显示电源电压值和输出电流值的大小。其硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、压差控制电路、稳压及输出电压控制电路、电压电流采样电路、掉电前重要数据存储电路、单片机、键盘显示等几部分，硬件部分原理图如图3所示。正、负端压差控制电路的作用是减少LM317和LM3

5、37输入端和输出端的压差以降低LM317和LM337的功耗。稳压电路由三端稳压芯片LM317(负压用LM337)及外围器件组成，输出电压控制电路采用继电器控制的电阻网络。电阻网络的每个电阻都需要精密匹配，电阻的精密程度直接影响输出电压的精度。电压电流采样电路由单片机控制实时对当前电压电流进行采样，以修正输出电压值。掉电前重要数据存储电路用以保存当前设置的电压值，可以方便用户在重新上电后不用设置，而且也不会因为电压值过高损坏用户设备。该电源稳定性好、精度高，并且能够输出±24 V范围内的可调直流电压，且其性能优于传统的可调直流稳压电源，但是电路比较复杂，成本较高，使用于要求较高的场合。

6、在实际中，如果对电路的要求不太高(这种情况较多)，多采用第二种设计方案。3 实际电路的设计电路采用三端集成稳压器电路方案，电路原理图如图4所示。其中IC为三端集成稳压器。晶体管T，阻R3，和电容器C组成软启动电路。电阻R4和二极管D组成电压补偿电路。电容C2为输出滤波电容。(1)三端集成稳压器LM317及其调压原理。图4中IC采用了LM317系列三端集成稳压器，其输出电压调节范围可达1.2537 V，输出电流可达1.5 A，内部带有过载保护电路，具有稳压精度高、工作可靠等特点。其输出电压的调节原理如图5所示。由于LM317的2，3脚之间的电压U32为一稳定的基准电压(1.25 V)，故有：其中

7、，R1为固定电阻，故调节R2可以调节输出电压UO，并且UO的最小值为1.25 V。(2)电压补偿电路的设计。因要求输出电压从0 V起调，LM317集成稳压器不能直接满足要求，需设计一个电压补偿电路，抵消LM317的1.25 V最小输出电压。电压补偿电路由电阻R4和二极管D组成。式中，U3为LM317的3脚电压；UO为输出电压；UD为二极管D的正向压降，即为补偿电压，其值略大于LM317的基准电压(1.25 V)。这里用3只串联的锗材料整流二极管的导通压降来实现。当调节R2少，使U3达到与UD相等时，输出电压即为0 V。之后，当调节R2逐渐增大时，UO即由0 V开始增大。由于负载电流流过D，故D

8、的最大工作电流应能适应负载电流的要求。图5中R4用于给D提供工作电流。(3)软启动电路设计。软启动电路由晶体管T，电阻R3，R和电容器C组成。其作用是使电路输出电压UO有一个缓慢的上升过程，以适应感性负载(如直流电机)的启动特性。当输入电压UI接入时，因C上的电压不能突变，故T因基极电位较高而饱和导通，使U2(LM317的2脚电位)和U3都很低，故UO很小，随着C的充电，T的基极电位下降，其集电极电位(即U2)升高，使U3升高(因U32为一稳定电压)，所以UO也升高。当C充满电时，T被截止，启动电路失去作用，UO也达到设定值。启动的时间可以通过改变C和R的值进行调整。(4)改进方案。由于该电路

9、的输出电压的调整完全依赖电电位器R2的改变，因此R2的改变范围较大，这样在输出电压的调整过程中，容易调过头或调不足，要准确地实现024 V宽范围的电压任一电压有些调整比较麻烦，必须反复调整，只依赖R2是比较困难的，如果将电位器R2用一个电位器R2'和电阻R档串联实现，通过一个开关实现电阻R档的改变从而改变输出电压的范围，并在所选择的输出电压范围内通过改变电位器R2'的阻值得到所需要的准确的直流电压输出。电路如图6所示。(5)电路主要测试数据。接上电源变压器和整流滤波电路以后对电路进行测试的结果为：电路在负载为1 A时输出电压调整范围如表1所示；在输出电压为额定值(24 V)下的

10、负载特性如表2所示。电网电压波动±10(负载电流1 A)情况下输出电压如表3所示。4 结 语该稳压电路应用三端集成稳压电器，并加入补偿电压的方法解决LM317系列输出电压不能从0 V开始起调的问题。软启动电路的引入适应负载的启动特性。电路的结构简单、功能完善、可靠性高电子初学者的重要训练课题之一就是用三端集成稳压器组装输出电压可调的稳压电源（见图 1 ），但初学电子的网友们很多都是第一次使用三端集成稳压器，希望能更多地了解它的应用知识，对此，笔者和初学者进行了讨论。    同学：我在电子元件商店见到三端稳压集成块的品种很多，外形和产品型号也各不相同，这种

11、稳压器件可以分成哪几种主要类型呢？    老师：国产三端集成稳压器已经标准化、系列化了，按照它们的性能和不同用途，可以分成两大类，一类是固定输出正压（或负压）三端集成稳压器 W7800 （ W7900 ）系列，另一类是可调输出正压（或负压）三端集成稳压器 W317 （ W337 ）系列。前者的输出电压是固定不变的，后者可在外电路上对输出电压进行连续调节。今天大家装机使用的就是三端可调正压输出集成稳压器 W317 。    同学：怎样用固定电压输出三端集成稳压器组成稳压电源呢？    老师：这种电源电路很简

12、单，我先画出电路图（图 2 ）。三端稳压器的输入端接在整流滤波电路的后面，输出端直接接负载，公共端接地，电源就能正常工作，输出稳定的直流电压。但是，在实际应用中为了抑制高频干扰并防止产生自激振荡，在它的输入端并联了电容器 C1 ，输出端并联了电容器 C2 。    同学：国产固定输出三瑞稳压器产品有多少种输出电压可供选择？对它的输入电压 U i 有什么要求呢？    老师：固定输出正压（或负压）三端集成稳压器产品的输出电压（绝对值）有 5V 、 6V 、 9V 、 12V 、 15V 、 18V 、 24V 共 7 种，可以根据实际需

13、要选择使用。为了保证稳压器能够正常工作，要求输入电压 U i 与输出电压 U o 的差值应大于 3V 。压差太小，会使稳压器性能变差，甚至不起稳压作用；压差太大，又会增大稳压器自身消耗的功率，并使最大输出电流减小。厂家对每种型号的稳压器都规定了最大输入电压值。一般取 U i -U o 为 3 7V 。    同学：从型号上怎样体现三端稳压器输出电压的大小呢？    老师：我们以 W7800 系列的稳压器产品为例，一般都用“ 78 ”后面的数字表示输出电压的大小。例如， W7806 表示输出电压为 6V ； W7812 表示输出电压为

14、12V ，等等。    同学：三端稳压器的输出电流有多大呢？    老师：三端集成稳压器按最大输出电流不同又可分成三个系列： W7800 、 W317 系列的最大输出电流为 1.5A ； W78M00 、 W317M 系列的最大输出电流为 0.5A ； W78IDO 、 W317L 系列的最大输出电流为 0.1A 。    同学：我在商店里看到三端稳压集成块有好几种不同的外形。    老师：国产三端稳压器的封装形式有 F-2 型、 TO-92 型、 S 1 型、 S-7 型等

15、多种，我这里有几种样品（图 3 ），大家可以看一看。需要特别说明的是，三个引脚的排列和它们的功能，对不同型号的产品或不同厂家的产品可能并不相同，使用时一定要看说明书。    同学：固定输出电压三端稳压器在外部电路接上一些元件能不能改变它的输出电压呢？    老师：实际上固定输出电压三端稳压器的应用也是灵活多样的，可以用它组成几十种不同功能的电路。我现在画一种能提高输出电压的电路（图 4 ），它只需要在稳压器输出端和地之间接上一个由电阻 R1 和 R2 组成的电阻分压电路，把稳压器公共端接在分压点上，就能提高输出电压，决定输出电压大小的

16、计算公式是只要选定 R1 、 R2 的比值，就能得到所需的输出电压。需要注意，要提高输出电压 U o ，就必须相应地提高输入电压 U i ，一般应使输入电压高于输出电压 3 5V 。  同学：能不能用 W7800 系列稳压器组成电压连续可谓的稳压电源呢？    老师：可以。组成这种可谓的稳压电源的电路形式也很多。就拿刚刚介绍的电路（图 4 ）来说，把 R2 换成可变电阻，就可以通过调节 R2 来改变输出电压（图 5 ）。只不过这种稳压电源的精度不高，为了提高稳压性能，可在外电路接入一个由高增益运算放大器 A741 组成的电压跟随器，电位器 RP=R1 R

17、2 构成取样电路（图 6 ），这个稳压电源的输出电压 U o 可以在 7 20V 范围内连续调节。只不过这种电路需要外接集成运算放大器，成本高、精度低、耗电大，已经较少采用了。     同学：如果想要扩展三端稳压器的输出电流，有没有可能呢？    老师：三端稳压器的最大输出电流取决于内部调整管的集电极最大允许电流。如果想要扩展稳压电路的输出电流，可以在外电路接入一个大功率三极管，使它与内部调整管组成复合调整管（图 7 ）。三端稳压器 W7800 的最大输出电流为 1.5A ，外接一个 PNP 型大功率三极管 3AD30C ，

18、它可以输出 3.5A 的电流，这样，整个稳压电源的输出电流就是 5A 了。    同学：三端可调输出电压稳压器 W317 有什么特点呢？    老师： W317 是一种可调输出正压三端集成稳压器（图 8 ），它的三个端子除了输入端和输出端外，第三个端子 A Dj 不是公共端（接地端），而是电压调整端，通过调整端外接两个电阻 R1 、 R2 组成调压电路，就能组成一个输出电压连续可调的稳压电源（图 9 ）。请看这个电路图，只需调节可变电阻 R2 ，就能使输出电压 U o 在 1.2 37V 范围内连续变化。   &#

19、160;  同学：我们刚刚制作的电源电路（图 1 ）比较复杂，您再给我们分析一下它的工作原理吧。    老师：今天大家组装的是 W317 （有的产品型号叫 LM317 ）的典型应用电路。虚线左边是大家熟悉的整流滤波电路，虚线右边是以 W317 为核心的可调稳压电路。电阻 R1 和可变电阻 R2 构成取样电路， C2 是为了减小取样电阻 R2 两端的纹波电压而并联的旁路电容器， C3 、 C4 的作用仍是用来抑制高频干扰和防止产生自激振荡。需要说明的是两个二极管的作用， VD1 是保护二极管，用来防止输入端发生短路时因 C4 放电可能造成的内部调整管的损坏

20、。 VD2 也是保护二极管，当输出端出现短路时， C2 两端的电压作用在 VD2 两端使它正偏而导通，为 C2 提供放电通路，避免 C2 上的电压击穿内部的放大管。    同学：为什么稳压集成块要装散热器呢？    老师：三端稳压器属于功率半导体器件，它作为整机或局部电路的电源，需要输出一定的功率，特别是内部的调整管，供给的是全部负载电流，因此，在使用过程中稳压器件要发热，使芯片温度升高，限制了它的最大功率 P maxo 。例如，在不加散热片时， F 2 型封装最大功率 P max 为 2.5W ， S 7 型封装为 2W 。加装规定

21、的散热器后，前者 P max 15W ，后者 P max 7.5W 。 P max 称为极限运用功率。散热器的散热面积一般不应小于 100mm 2 。    同学：三端稳压器在使用中怎样才能保证不会超过它的极限运用功率 P max 呢？    老师：三端稳压器内部的调整管两端的电压为 U ce =U i -U o ，流过管子的电流为全部负载电流 I o ，所以调整管的功率损耗为 P （ U i -U o ） I o ， U i 是固定不变的，为保证使用中 PP max ，输出电压 U o 越小，相应的负载电流 I o 也应越小。实际上

22、三端稳压器内部都没有调整管安全工作区保护电路，一旦 U i -U o 超出容许值，输出电流会自动下降，保证调整管的功耗在安全区之内。复合三极管是将两个和更多个晶体管的集电极连在一起，而将第一只晶体管的发射极直接耦合到第二只晶体管的基极，依次连接而成，最后引出E、B、C三个电极。也叫达林顿管，其放大倍数是两者放大倍数的乘积。一般应用于功率放大器、稳压电源电路中。复合三级管的电路连接· 达林顿通常由两个三极管组成，这两个三极管可以是同型号的，也可以是不同型号的；可以是相同，也可以是不同功率。无论怎样组合连接，最后所构成的达林顿三极管的放大倍数都是二者放大倍数乘积。达林顿管电路连接一般有四种接法：即NPN+NPN、+PNP、NPN+PNP、PNP+NPN。它们连接如图所示。图a、b所示同极性接法；图c、d所示异极性接法。在实示应用中，用得最普遍是前两种同极性接法。通常，图a接法达林顿三极管叫“NPN达林顿三极管”；而图b接法的达林顿三极管称为“PNP达林顿管”。两个三极管复合成一个新的达林顿管后，他的三个电极仍然叫：B基极、  C集电极、  E发射极。达林顿管有一个特点就是两个三极管中，前面三极管的功率一般比后面三极管的要小，前面三极管基极为达林顿管基极，后面三极管射极为达林顿管射极。所以达林顿管在电路中使用方法与单个普通三极管一样，只是放大倍数是两个三极