自制可調(diào)穩(wěn)壓電源.doc

DIY日記0-30V可調(diào)線性穩(wěn)壓電源 作為一名電子愛(ài)好者，平時(shí)喜歡做一些電子小制作，在電路調(diào)試和制作過(guò)程中經(jīng)常為電源犯愁，有時(shí)候?yàn)榱苏{(diào)試一個(gè)簡(jiǎn)單的電路而單獨(dú)搭一個(gè)電源，這樣即費(fèi)時(shí)又消磨DIY的興致。最近本人利用手頭一些閑置零件，自己打造了一臺(tái)“MINI”型直流0-30V可調(diào)穩(wěn)壓電源?，F(xiàn)將整個(gè)DIY過(guò)程與大家分享。 （圖1） 本人在深圳工作時(shí)買了幾個(gè)大小不一的鋁合金外殼（當(dāng)時(shí)看到這些外殼挺漂亮就買了，一直閑置著），其中一個(gè)較大一點(diǎn)的外殼尺寸為：134x106x55mm。家里還閑置了一個(gè)功率約30W左右的小變壓器（該變壓器是從舊黑白電視機(jī)上拆下來(lái)的，有8V和18V兩組輸出），其厚度還剛好能裝到這較大尺寸的鋁合金外殼內(nèi)。既然這么巧合，想不“撮合”它們都找不到理由了。那接下來(lái)就是考慮穩(wěn)壓電路部分了，0-30V可調(diào)穩(wěn)壓電路可以通過(guò)以下幾個(gè)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：1) 采用運(yùn)放加大功率管來(lái)實(shí)現(xiàn)（市面上很多批量生產(chǎn)的可調(diào)穩(wěn)壓電源都采用這種方案），該方案使用的材料非常低廉，但線路復(fù)雜不適合手工搭板；2) 采用LM723專用電源穩(wěn)壓IC加大功率管來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方案比較成熟，線路也比較簡(jiǎn)單，但LM723比較難買，需要到電子市場(chǎng)去找或郵購(gòu)；3) 采用LM317/338電源穩(wěn)壓IC，該方案線路非常簡(jiǎn)單，但按其典型應(yīng)用電路接法，輸出最低只能調(diào)到1.25V，要想0V起調(diào)必須加一個(gè)穩(wěn)定的負(fù)電壓基準(zhǔn)來(lái)修正，一些電子雜志上也有人在LM317輸出端串聯(lián)2個(gè)二極管來(lái)降壓，達(dá)到調(diào)“0V”的目的，這是初學(xué)的菜鳥(niǎo)們討論的問(wèn)題，大家心知肚明就行了；4) 采用TL431電源穩(wěn)壓IC加大功率管來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方案也具有線路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但也同樣遇到LM317不能調(diào)“0V”的問(wèn)題；5) 采用LM2576-ADJ開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓IC來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方案也具有線路簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但也同樣遇到輸出不能調(diào)“0V”的問(wèn)題和電感線圈比較難加工；通過(guò)一番權(quán)衡利弊后，決定采用LM317的方案，剛好手頭還有幾個(gè)閑置的LM317T，“量身”設(shè)計(jì)的完整電路如圖2所示。（圖2）主要元?dú)饧?shù)資料：盡管LM317我們已經(jīng)非常熟識(shí)了，但還是翻閱一下LM317的PDF資料比較穩(wěn)妥，其中幾個(gè)比較重要的參數(shù)如下：1、 輸入與輸出端最高壓差為：40V（很多人誤認(rèn)為是輸入最高電壓為40V）；2、 輸入與輸出端最小工作壓差：3V；3、 輸出電壓范圍：1.25V-37V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)（其實(shí)只要保證前一項(xiàng)條件，其輸出范圍的上限是可以擴(kuò)展的）；4、 最大輸出電流：1.5A（LM317T TO-220封裝）；5、 輸出最小負(fù)載電流：5mA；6、 基準(zhǔn)電壓VREF：1.25V；7、 工作溫度范圍為：0-70；8、 LM317T TO-220封裝引腳排列如圖3所示：（圖3） 為了讓LM317T輸出0V起調(diào)，該電路設(shè)計(jì)時(shí)增加了一個(gè)由TL431構(gòu)成的-2.5V基準(zhǔn)電源，TL431相信大家也是非常熟識(shí)，它是三端可調(diào)并聯(lián)型穩(wěn)壓IC，詳細(xì)資料可參考：安森美的TL431中文手冊(cè)。在本列電路應(yīng)用中，我們比較關(guān)心的幾個(gè)參數(shù)如下：1. 參考電壓VREF：2.5V 0.4（25）；2. 最大陰極電流范圍：-100mA至+150mA；3. 最小陰極電流：0.5mA；4. 最大額定功耗：0.7W （TO-92封裝）；5. TL431內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳排列如附圖4所示；6. TL431的典型應(yīng)用電路如圖5所示；（圖4）（圖5）工作原理：如圖2所示，220V市電通過(guò)S1和F1連接到變壓器的輸入端，經(jīng)過(guò)變壓后分別輸出：18V、8V、10V、3V（其中10V和3V繞組是自己以手工穿線的方式加繞的）四組電壓，為了降低LM317T的功耗提高電源效率，采用了2個(gè)繼電器的3級(jí)換檔電路，換檔電路如圖6所示，電源輸出電壓V+加在W2的兩端，當(dāng)W2的滑動(dòng)觸片上獲得的分壓低于U4的VREF（2.5V）電壓時(shí)，U4的K、A之間只有微弱的維持電流，J1因得不到足夠高的工作電壓，其常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，8 VAC繞組通過(guò)J1和J2的常閉觸點(diǎn)對(duì)后級(jí)電路供電；當(dāng)W2的滑動(dòng)觸片上獲得的分壓高于U4的VREF（2.5V）電壓時(shí)，U4的陰極電流劇增使J1得到足夠工作電壓，其常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，18 VAC繞組通過(guò)J1常開(kāi)觸點(diǎn)和J2的常閉觸點(diǎn)對(duì)后級(jí)電路供電。由W3、J2和 U5構(gòu)成的另一級(jí)換檔電路工作原理類同（可能有人會(huì)說(shuō)換檔電路也可以用運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然是可以的，只是電路要復(fù)雜一點(diǎn)，要是做產(chǎn)品需要考慮成本我會(huì)用運(yùn)放，但偏（圖6）偏我是懶人不喜歡做復(fù)雜的事）。經(jīng)過(guò)換檔輸出依次得到8VAC、18 VAC、26 VAC電壓，經(jīng)過(guò)D1-D4整流，C1、C2濾波后對(duì)應(yīng)得到：11.3V、25.5V、36.8V三檔電壓。由U1、R1、R2、W1組成LM317T的典型穩(wěn)壓電路，D5、D6構(gòu)成LM317T防短路保護(hù)電路。其輸出電壓計(jì)算公式為：VoVREF1+（W1+R2）/R1-2.5V式中減2.5V是因?yàn)閃1的低端沒(méi)有接V-上，而是接在由U3（TL431）和R6構(gòu)成的-2.5V基準(zhǔn)上。變壓器3V繞組經(jīng)過(guò)DB2和C6整流濾波后得到4.2V左右的直流電壓，該電壓正端與地相連形成負(fù)電壓，該電壓通過(guò)限流電阻R6加在U3上，這里U3（TL431）接成了圖5中第一種典型應(yīng)用電路，故VKA=VREF=-2.5V基準(zhǔn)。圖2中Q1、U2A、R3、R4、R5、W2等構(gòu)成恒壓至恒流自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路，其工作原理如下，W2與R7串聯(lián)后連接在V-與-2.5V基準(zhǔn)上，W2的滑動(dòng)觸片經(jīng)過(guò)分壓后向U2A（LM358）的同相輸入端提供一個(gè)可設(shè)定的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)電源輸出端連接負(fù)載后，通過(guò)R3對(duì)電流進(jìn)行取樣，由R5送至U2A（LM358）的反相輸入端，當(dāng)輸出電流時(shí)，R3上的電壓降，U2A（LM358）的反相輸入端電壓，當(dāng)U2A（LM358）反相輸入端電壓低于U2A（LM358）同相輸入端的設(shè)定電壓時(shí)（即電流超出設(shè)定值），U2A（LM358）輸出高電平通過(guò)R4加到Q1的基極上，使Q1的ICE，則流過(guò)W1的電流W1兩端的電壓，對(duì)應(yīng)LM317T的輸出電壓，流過(guò)負(fù)載的電流，這時(shí)電源由原來(lái)的恒壓狀態(tài)轉(zhuǎn)換為恒流狀態(tài)，并且保持輸出電流等于設(shè)定電流，調(diào)節(jié)W2可設(shè)定輸出的恒定電流值，其最大輸出恒定電流計(jì)算公式為：IoMAX2.5W2/（W2+R7）/R3在本列的實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)樽儔浩鞴β视邢?，另LM317T也沒(méi)有增加擴(kuò)流電路，故可設(shè)定的最大輸出恒定電流為1.6A左右（若需要增大輸出電流請(qǐng)自己修改參數(shù)）。 組裝調(diào)試：電路設(shè)計(jì)好了，接下來(lái)就要?jiǎng)邮钟脤?shí)踐來(lái)驗(yàn)證我的設(shè)計(jì)了，先看看我搜集到的一些部件和工具： 尺寸為：134x106x55mm鋁合金外殼（RMB：25￥/PCS）十圈精密電位器套件（RMB：30￥/PCS） 做功放用的接線柱（RMB：2.5￥/PCS） 普通船型電源開(kāi)關(guān) 5mm LED燈座 精制香蕉插頭（RMB：2.5￥/PCS） 精制小鱷魚(yú)夾（朋友贈(zèng)送）舊黑白電視機(jī)用的變壓器（功率30W左右，矽鋼片很薄而且均勻，應(yīng)該是文革年代的“古董”）本次DIY作業(yè)時(shí)所使用的主要工具 元件和工具搜集好了，現(xiàn)在是考驗(yàn)我動(dòng)手能力的時(shí)候了，看我的MINI電源是怎樣一步一步打造出來(lái)的：步驟1變壓器加工：因原變壓器輸出只有8V和18V兩個(gè)繞組，還需要增加一個(gè)3V和10V繞組，原變壓器線圈與鐵心之間還有一定的距離，我決定用0.2mm的漆包線以穿線的方式繞制，先大概估算一下繞制3V和10V繞組所需要的圈數(shù)和漆包線長(zhǎng)度，一般低頻小功率變壓器的伏/匝比大約為：0.1V/匝，實(shí)踐證實(shí)了我的估算值，當(dāng)然你也可以用漆包線先繞幾圈加電直接量出伏/匝比，這樣更準(zhǔn)確。（我已經(jīng)再三強(qiáng)調(diào)了：我是懶人，所以自然到關(guān)鍵時(shí)候就會(huì)偷懶。）準(zhǔn)備好了漆包線就開(kāi)始繞制了，剛開(kāi)始繞3V繞組的時(shí)候，我還感覺(jué)今天暖洋洋的太陽(yáng)一定是專為我出的，繞10V繞組的時(shí)候才感覺(jué)那長(zhǎng)長(zhǎng)的漆包線穿來(lái)穿去怎么也繞不完。（突然回想起媽媽給我織的毛線衣，那毛線比這漆包線長(zhǎng)多了，當(dāng)初總嫌它太粗糙，對(duì)它不消一顧，直到今天我才感悟到那是用愛(ài)一針一針織成的精品呀！-）線圈繞好了，再接上市電測(cè)量一下電壓是否正確，然后還需要在線圈外面貼上絕緣膠帶，以保護(hù)好線圈。這樣變壓器就加工好了，來(lái)欣賞一下（圖7）。絕緣膠帶自己加繞的3V繞組自己加繞的10V繞組（圖7）步驟2外殼加工： 該電源所使用的鋁合金外殼是從賽格電子市場(chǎng)買的通用外殼，所以要想在面板上安裝電位器和接線柱必須自己開(kāi)孔，先用游標(biāo)卡尺依次測(cè)量出：電位器、接線柱和LED燈座安裝所需要的開(kāi)孔直徑，然后簡(jiǎn)單的排布一下相應(yīng)的位置并作好標(biāo)記。接下來(lái)就是找到對(duì)應(yīng)規(guī)格的麻花鉆頭，開(kāi)始鉆孔加工了，鉆好的孔還需要用小刀或整形銼將孔邊上毛刺處理干凈。加工好的前面板見(jiàn)（圖8）電位器安裝孔LED燈座安裝孔接線柱安裝孔電位器安裝孔接線柱安裝孔（圖8） 后面板也一樣需要加工，要開(kāi)一個(gè)多邊形的孔，用于安裝插座和電源開(kāi)關(guān)。先用游標(biāo)卡尺依次測(cè)量出插座和電源開(kāi)關(guān)的外部尺寸，然后在要加工的后面板上標(biāo)志出需要開(kāi)孔的區(qū)域，這里還需要注意插座和電源開(kāi)關(guān)安裝位置不能與變壓器的安裝位置相沖突，而且還需要保持美觀。加工時(shí)，先用電鉆在標(biāo)記好的開(kāi)孔區(qū)鉆孔，然后用整形銼細(xì)心修整，直到將插座和電源開(kāi)關(guān)安裝完成（圖9）。電源開(kāi)關(guān)AC插座（圖9）步驟3加工PCB板： 因?yàn)殡娐繁容^簡(jiǎn)單，為了省去做印刷PCB的繁瑣工作，所以我決定用實(shí)驗(yàn)板來(lái)搭接（我向來(lái)對(duì)自己的手工搭板技術(shù)充滿信心，同時(shí)也將我的懶惰精神進(jìn)行到底）。找了一片100x150mm的實(shí)驗(yàn)板，該板剛好能插入鋁合金外殼的安裝槽內(nèi)，只需將長(zhǎng)出的部分剪去。另外為了安裝變壓器方便，我將PCB板右下角剪去一個(gè)空角，利用PCB板和變壓器安裝時(shí)相互抵觸，免去固定變壓器的煩惱。接下來(lái)的工作是找元件、布板和搭焊作業(yè)了，在此就不一一細(xì)述了，搭焊好的PCB板見(jiàn)（圖10）。（圖10）步驟4焊接變壓器和后面板： PCB板搭焊好了，現(xiàn)在要將PCB板和變壓器、電源開(kāi)關(guān)、插座等連接起來(lái)。先找來(lái)線材和熱縮套管，將線材剪取合適的長(zhǎng)度，套上熱縮套管按電路依次焊接好，并用烙鐵加熱熱縮套管讓套管縮緊，加工好如（圖11）。（圖11）步驟5焊接前面板： 面板上需要安裝接線柱和電位器等部件。先依次將接線柱、電位器和LED燈座鎖緊到前面板的對(duì)應(yīng)孔位上，再用導(dǎo)線依次將這些部件按電路連接到PCB板上。電源指示燈原來(lái)準(zhǔn)備用一只高亮藍(lán)光LED，配合那冷冷的鋁合金外殼漂亮極了。只可惜那僅有的一顆藍(lán)光LED被我焊接幾次（因?yàn)楹更c(diǎn)沒(méi)有達(dá)到專業(yè)的飽滿程度，所以重焊了）后壞掉了，至今我還沒(méi)搞清楚：它到底是被燙壞了還是被靜電打壞了。最后不得不換了一只紫光LED代替，效果也還不錯(cuò)啦，還可以用來(lái)驗(yàn)鈔呢。前面板就加工好見(jiàn)（圖12）。（圖12）步驟5調(diào)試組裝：各部件焊接好了，先檢查了一下元件，并且核對(duì)了電路圖，沒(méi)問(wèn)題后開(kāi)始通電調(diào)試，這里的調(diào)試非常簡(jiǎn)單，先調(diào)節(jié)W1使V+輸出電壓為7V，再來(lái)回細(xì)調(diào)W2使J1剛好夠吸合；用同樣的方法，通過(guò)調(diào)節(jié)W1、W3使V+輸出電壓為20V時(shí)J2剛好夠吸合，再確認(rèn)一下輸出電壓、電流范圍能不能達(dá)到原設(shè)計(jì)的指標(biāo)，這樣調(diào)試工作就完成了。再把PCB板和變壓器等，小心的裝入鋁合金外殼內(nèi)，因?yàn)長(zhǎng)M317T要利用電源外殼來(lái)散熱，所以在LM317T與外殼之間要墊上云母片（云母片是從外熱式電烙鐵芯上截取的），而且均勻的涂上導(dǎo)熱硅脂來(lái)導(dǎo)熱（圖13）。最后將外殼組合上，鎖好螺絲，并且裝調(diào)好電位器旋鈕。一臺(tái)漂亮的“MINI”型直流電源組就裝好（圖14）。（圖13）（圖14）步驟6附件加工：好馬要配好鞍，接下來(lái)還要給電源制作一條漂亮的輸出連接線見(jiàn)（圖15），線材我選擇音箱連接專用線，這種線材阻抗比較低，而且柔軟，顏色也好區(qū)分。整條線含端子長(zhǎng)度為：75cm，個(gè)人感覺(jué)這種長(zhǎng)度使用起來(lái)非常舒適，還有一條長(zhǎng)的備用線含端子長(zhǎng)度為：120cm。（圖15）步驟7老化測(cè)試：電源組裝好后，先用它對(duì)鋰電池組進(jìn)行充電，該電池組是從COMPAQ N610c筆記本上拆下來(lái)的舊電池組，由于內(nèi)部電芯殘留電量不相等，所以采用了：（