《電路分析基礎(chǔ)直流電源.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《電路分析基礎(chǔ)直流電源.doc（11頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

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)動電路提供1個其輸出能從0 V開始連續(xù)可調(diào)(0～24 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)載的啟動性能。此外，電路還必須簡單可靠，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)，因要求電路具有很強的帶負(fù)載能力，需設(shè)計一軟啟動電路以適應(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0～24 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。 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出電壓的精度。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)1.25～37 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。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，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；UO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)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，UO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。 (3)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，T被截止，啟動電路失去作用，UO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。 (4)改進(jìn)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)0～24 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)下的負(fù)載特性如表2所示。電網(wǎng)電壓波動10％(負(fù)載電流1 A)情況下輸出電壓如表3所示。 4 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 。 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 3 ～ 7V 。 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 0.5A ； 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。 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 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由高增益運算放大器 μA741 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 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)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。 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 1.2 ～ 37V 范圍內(nèi)連續(xù)變化。 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， VD1 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 － 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 max ≥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≤P 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，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→基極、 C→集電極、 E→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)β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 （1）放大倍數(shù)大（可達(dá)數(shù)百、數(shù)千倍）； （2）驅(qū)動能力強； （3）功率大； （4）開關(guān)速度快； （5）可做成功率放大模塊； （6）易于集成化。 復(fù)合三級管的用途 （1）用于大負(fù)載驅(qū)動電路； （2）用于音頻功率放大器電路； （3）用于中、大容量的開關(guān)電路； （4）用于自動控制電路。 復(fù)合三級管的典型應(yīng)用 1、復(fù)合三級管驅(qū)動LED智能顯示屏電路 LED智能顯示屏是由微型計算機控制，以LED矩陣板作顯示的系統(tǒng)，可用來顯示各種文字及圖案。該系統(tǒng)中的行驅(qū)動器和列驅(qū)動器均可采用高β、高速低壓降的復(fù)合三級管。用BD683(或BD677)型中功率NPN復(fù)合三級管作為列驅(qū)動器，而用BD682(或BD678)型PNP復(fù)合三級管作行驅(qū)動器，控制88LED矩陣板上相應(yīng)的行(或列)的像素發(fā)光。 應(yīng)注意的是，復(fù)合三級管由于內(nèi)部由多只管子及電阻組成，用萬用表測試時，be結(jié)的正反向阻值與普通三極管不同。對于高速復(fù)合三級管，有些管子的前級be結(jié)還反并聯(lián)一只輸入二極管，這時測出be結(jié)正反向電阻阻值很接近；容易誤判斷為壞管，這個請注意。 2、用于大功率開關(guān)電路、電機調(diào)速、逆變電路。 3、復(fù)合三級管驅(qū)動小型繼電器電路 第一章 電路規(guī)律和分析計算方法。 電路功能（1）進(jìn)行能量的傳輸，分配和轉(zhuǎn)換 （2）實現(xiàn)信息傳輸和處理 1．電路變量 A：電流：電荷有規(guī)律的定向運動，形成傳導(dǎo)電流。單位時間內(nèi)流過導(dǎo)體橫截面的電荷量叫做電流（強度）。 i(t)=dq(t)/d(t) (1-1)。 B：電壓：就是將單位正電荷從電路中一點移動至電路中另一點是電場力作功的大小。 u(t)=dw(t)/dq(t) (1-2)。 C：電功率：單位時間作功大小稱為功率。 P(t)=dw(t)/dt。 (1-3)。 有(1-1)和(1-2) 式可推出： P(t)=ui(條件：電壓電流參考方向關(guān)聯(lián))