電路實(shí)踐講義可調(diào)電壓源與可調(diào)電流源教學(xué)電子教案

1、電路實(shí)踐系列講義 楊菊秋 可調(diào)電壓源與可調(diào)電流源中南林業(yè)科技大學(xué)電子實(shí)驗(yàn)室2011-3-25可調(diào)電壓源與可調(diào)電流源（理論設(shè)計(jì)部分） 電源是電路中必不可少的電路器件，是給電路提供電能的單元電路。在電子電路中，所需要的電源主要是直流電源：直流穩(wěn)壓源（主要反映穩(wěn)壓源器件的參數(shù)有：額定輸出電壓值，額定輸出功率，電源效率，紋波抑制系數(shù)，輸出電壓穩(wěn)定系數(shù)等等），若輸出電壓可調(diào)稱為可調(diào)直流穩(wěn)壓源，穩(wěn)壓源電路主要由變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓以及輸出電壓調(diào)節(jié)電路五部分組成，常用的直流穩(wěn)壓電源有串聯(lián)式穩(wěn)壓直流電源和開關(guān)直流穩(wěn)壓電源，串聯(lián)式穩(wěn)壓直流電源主要優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，缺點(diǎn)是效率低，開關(guān)直流穩(wěn)壓電源優(yōu)點(diǎn)

2、是電源效率高，缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本較高。直流電流源（主要參數(shù)有輸出電流，額定輸出功率，等等），輸出電流可調(diào)的稱為可調(diào)電流源，電流源電路主要由電壓轉(zhuǎn)化成電流的電路構(gòu)成。三端穩(wěn)壓器lm317簡(jiǎn)介lm317是三端穩(wěn)壓器，不穩(wěn)定直流電壓從lm317的輸入端（3）輸入，從輸出端（2）輸出穩(wěn)定的直流電壓。 lm317外形如左圖所示，腳的編號(hào)從左至右為1，2，3。1調(diào)整端，2輸出端，3輸入端。不穩(wěn)定電壓從3端輸入，從2端輸出的電壓為穩(wěn)定電壓。lm317的一個(gè)最重要的特性是：21之間電壓恒為1.25v。其它特性需要了解的是：調(diào)整端（1）電流很?。ㄐ∮?.05ma)，在工作電流比它大得多的條件下這個(gè)電流忽略不

3、計(jì)；輸入端所加電 1 壓小于40v；為保證三端穩(wěn)壓器正常穩(wěn)定的工作，輸入端電壓要比輸出端電壓高于3v以上。一 以lm317為核心器件構(gòu)成的輸出電壓可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與電路參數(shù)的計(jì)算：不穩(wěn)定的直流電壓ui從三端穩(wěn)壓器lm317的輸入端（3）輸入。輸入電壓低于40v，但需要比最高輸出電壓高出3v以上。本電路設(shè)計(jì)最高輸出電壓為12v，則本電路輸入電壓高于15v（本電路取16v左右）。可調(diào)的穩(wěn)定直流電壓uo從三端穩(wěn)壓器lm317的輸出端（2）輸出，可調(diào)電壓源電壓大小由端子m1和n1之間外并的電阻確定?？烧{(diào)電壓源額定輸出電流大小由三端穩(wěn)壓器lm317 決定，當(dāng)2三端穩(wěn)壓器裝上散熱片后，額定輸出電流

4、為1.5a。本可調(diào)電壓源設(shè)計(jì)指標(biāo)：輸出電壓可調(diào)：1.25v12.00v； 額定輸出電流：1a，額定輸出電流的含義是，電路在正常工作的條件下，能夠輸出的最大電流。因?yàn)楫?dāng)輸出電壓恒定時(shí)，輸出電流隨著負(fù)載的變化而變化，負(fù)載電阻越小時(shí)，輸出電流越大，所以要注意負(fù)載電阻不能取得太小，需要根據(jù)額定電流（或額定功率）進(jìn)行計(jì)算。 三端穩(wěn)壓器lm317的輸出端（2）到調(diào)整端(1)的電壓恒定為1.25v，三端穩(wěn)壓器lm317的調(diào)整端（1）的電流小于50a，當(dāng)控制電路工作電流比50a大得多時(shí)，這個(gè)電流可以忽略不計(jì)，即認(rèn)為調(diào)整端（1）虛斷路。本電路設(shè)計(jì)控制電路工作電流為5ma左右，比50a電流大得多（100倍），因此

5、調(diào)整端（1）的電流完全可以忽略不計(jì)。這樣從三端穩(wěn)壓器lm317的輸出端（2）流到調(diào)整端（1）的電流與從調(diào)整端（1）流到地gnd的電流相同。設(shè)計(jì)思想：固定輸出端（2）到調(diào)整端(1)的電阻rar1/r2，則lm317從輸出端（2）流到調(diào)整端(1) ra的電流不變，而調(diào)整端（1）到地gnd的等效電阻rb（r3 / 端子m1和n1之間外接電阻）可調(diào)（通過改變端子m1和n1之間外并的電阻阻值的大?。?，由于流過調(diào)整端（1）到地gnd的等效電阻的電流也不變，所以調(diào)整端（1）到地gnd的電壓隨著調(diào)整端（1）到地gnd的電阻的變化而變化，使得輸出端電壓變化。 3用以調(diào)節(jié)電壓源輸出電壓。測(cè)試電流源時(shí)，將m2，n2

6、的導(dǎo)線的另一端分別連接到電阻模塊的不同插口，用以調(diào)節(jié)電流源輸出電流。分別測(cè)試各狀態(tài)下的電壓源的輸出電壓和電流源的輸出電流，將測(cè)量數(shù)據(jù)用表格形式記錄下來。2 分析故障和排除故障，并將分析和排除過程記錄下來。理論部分：1 要求可調(diào)電壓源的輸出電壓為3.8v10.2v，重新設(shè)計(jì)可調(diào)電壓源電路。并畫出電路原理圖。2 要求可調(diào)電流源的輸出電流為2ma64ma，重新設(shè)計(jì)可調(diào)電流源電路。并畫出電路原理圖。報(bào)告部分：1 課程設(shè)計(jì)題目，時(shí)間，地點(diǎn)，指導(dǎo)老師。2 課程設(shè)計(jì)目的。3 電路工作原理。4 參數(shù)確定與計(jì)算過程。5 測(cè)試數(shù)據(jù)表格。6 數(shù)據(jù)處理與說明。7 故障處理過程與體會(huì)。8 器件清單與電路原理圖?？疾炫c評(píng)

7、分 作品是否整齊與美觀。 測(cè)量數(shù)據(jù)方法與結(jié)果是否正確。 元器件是否會(huì)辨認(rèn)及元器件特性是否掌握。 理論計(jì)算方法與原理是否掌握。 報(bào)告內(nèi)容是否真實(shí)，全面，認(rèn)真等等。 12m1，n1，m2，n1分別接其單股導(dǎo)線的一端，單股導(dǎo)線的另一端懸空。仔細(xì)觀察各焊接點(diǎn)，檢查有無短路現(xiàn)象和虛焊現(xiàn)象。認(rèn)真測(cè)量。在觀察所焊接的電路板處于正常狀態(tài)后，將16v電源接入到j(luò)1接口?？烧{(diào)電壓源的測(cè)量：讓m1，n1單股導(dǎo)線的懸空端分別插入j4的任意兩點(diǎn)，測(cè)量輸出電壓，并記錄對(duì)應(yīng)的連線位置，接入的電阻阻值，輸出電壓測(cè)量值，理論值，設(shè)計(jì)表格并記錄在表格中。可調(diào)電流源的測(cè)量：讓m2，n2單股導(dǎo)線的懸空端分別插入j4的任意兩點(diǎn)，測(cè)量輸

8、出電流，并記錄對(duì)應(yīng)的連線位置，接入的電阻阻值，輸出電流測(cè)量值，理論值，設(shè)計(jì)表格并記錄在表格中。電路學(xué)習(xí)任務(wù)：實(shí)踐部分：1 畫電路原理圖。3 查閱主要器件（lm317，發(fā)光二極管，三極管9012）的技術(shù)資料。4 辯認(rèn)套件中所有電子元器件以及印刷電路板。5 焊接。其中四根導(dǎo)線的一端分別接在符號(hào)r的兩端和符號(hào)c的兩端，另一端懸空。6 測(cè)試：在m1，n1端沒有外接電阻時(shí)，可調(diào)電壓源的輸出電壓是最高的，理論值為12v。在m，n端沒有外接電阻時(shí)，可調(diào)電流源的輸出電流是最小的，理論值為ma。四根導(dǎo)線的一端分別接在m1，n1，m2，n2端。測(cè)試電壓源時(shí)，將m1，n1的導(dǎo)線的另一端分別連接到電阻模塊的不同插口，

9、 11 其中ra是輸出端（2）到調(diào)整端(1)的電阻r1/r2。rb是調(diào)整端（1）到地gnd的等效電阻。下面確定電阻rb的最小值rbmin和最大值rbmax與電阻ra的關(guān)系。當(dāng)電阻rb取最小值rbmin時(shí)，輸出電壓最低為1.25v，因此，關(guān)系式 成立，得 當(dāng)電阻rb取最大值rbmax時(shí)，輸出電壓最高為12.00v，因此，關(guān)系式 成立，得 當(dāng)取rbmax=3k時(shí)，ra=349（可用360并10k得到）。當(dāng)然也可以用其它組合，只要注意到ra的電阻值不要取得過大（一般不要大于500），過大時(shí)，工作電流過小，調(diào)整端的電流就不能忽略不計(jì)了，前面的計(jì)算方法也就不再正確，當(dāng)然也不要取得太?。ㄒ?4般不要小于1

10、00），太小時(shí)工作電流太大，造成不必要的功率浪費(fèi)。二 可調(diào)電流源電路工作原理與電路參數(shù)的計(jì)算：電流源輸出電流可調(diào) 1ma-100ma電流源額定輸出電壓 12v 額定輸出電壓的含義是，電路在正常工作的條件下，能夠輸出的最高電壓。因?yàn)楫?dāng)輸出電流恒定時(shí)，輸出電壓隨著負(fù)載的變化而變化，負(fù)載電阻越大時(shí)，輸出電壓越高，所以要注意負(fù)載電阻不能取得太大，需要根據(jù)額定電壓（或額定功率）進(jìn)行計(jì)算。發(fā)光二極管是一個(gè)常用的電子元件，發(fā)光二極管有一個(gè)重要特性：當(dāng)發(fā)光二極管正常導(dǎo)通時(shí)，二極管的導(dǎo)通電壓是不變的（相當(dāng)于穩(wěn)壓管的作用）與它的導(dǎo)通電流無關(guān)，這個(gè)導(dǎo)通電壓大小由發(fā)光二極管的材料決定，紅色黃色發(fā)光二極管1.8v，綠色

11、發(fā)光二極管2.0v，藍(lán)色發(fā)光二極管2.2v。注意：普通發(fā)光二極管要使其正常發(fā)光，要通以適當(dāng)?shù)碾娏?，大約在3ma20ma，一般取5ma10ma。注意不能超過20ma。本電路選用常用的紅色發(fā)光二極管。長(zhǎng)腳為+，短腳為-。晶體三極管是一個(gè)常用的電子元件，晶體三極管有一個(gè)重要特性：當(dāng)三極管在正常導(dǎo)通狀態(tài)條件下工作時(shí)，三極管be之間的電壓（npn型）或eb之間的電壓（pnp型）是恒定的，與三極管的導(dǎo)通電流無關(guān)，這個(gè)常用的恒定電壓大小由三極管的材料決定的，常用的硅材料三極管為0.7v。 5可從電阻上所標(biāo)的色碼直接讀出，或者用萬能表的歐姆檔直接測(cè)量確定。各瓷片電容及其電容量（標(biāo)注在電容上）。各發(fā)光二極管及其

12、”+”-“極。各電解電容器及其”+”-“極以及電容量耐壓值（它們直接標(biāo)注在電容器的側(cè)面上）。三極管及其”e”b”c”極。各三端穩(wěn)壓器及其”1”，”2”，”3”腳。三端穩(wěn)壓器7805，功能是輸出穩(wěn)定的+5v電壓，不穩(wěn)定的電壓從”1”腳輸入，穩(wěn)定的電壓從”3”腳輸入，2腳接地?！?”，”2”，”3”腳的識(shí)別方式與lm317相同。附：元器件表編號(hào)規(guī)格編號(hào)規(guī)格編號(hào)規(guī)格編號(hào)規(guī)格編號(hào)規(guī)格r1360r7100r136.8ku1lm317j3r210kr8200r1415ku27805j4r33kr9390c1103q9012m1r41.1kr10820c210fled紅n1r52kr111.6kc3103j

13、1m2r651r123.3kc410fj2n2以上器件中，j都都是接口，m1m2n1n2都是單股導(dǎo)線。認(rèn)真焊接。按照印刷板上器件編號(hào)找到相應(yīng)的元件，按以下順序焊接：電阻，瓷片電容，發(fā)光二極管，接口，電解電容，三端穩(wěn)壓器，單股導(dǎo)線。焊接過程中注意以下問題：各發(fā)光二極管”+”-“極。各電解電容器”+”-“極、各三端穩(wěn)壓器及其”1”，”2”，”3”腳。的確定方法與lm317相同。j1，j2和j3要與前后續(xù)電路的輸入輸出電源接口方位相一致，因此要注意其方位。 10可調(diào)電壓源與可調(diào)電流源（實(shí)踐制作測(cè)試部分）仔細(xì)研究電路原理圖，關(guān)于可調(diào)電壓源弄清以下問題：可調(diào)電壓源電路由哪些電子元器件構(gòu)成，不穩(wěn)定的直流電

14、壓從哪里輸入，可調(diào)的穩(wěn)定電壓從哪里輸出，電路是通過什么方式調(diào)節(jié)輸出電壓的，可調(diào)直流電壓源能夠輸出的電流最大是多少（即在輸出端能夠接的負(fù)載電阻最小值是多少）。當(dāng)這些問題弄清以后，試設(shè)計(jì)輸出電壓可調(diào)范圍3.09.0v的可調(diào)直流電壓源，將其討論過程寫入報(bào)告中。仔細(xì)研究電路原理圖，關(guān)于可調(diào)電流源弄清以下問題：可調(diào)電流源電路由哪些電子元器件構(gòu)成，不穩(wěn)定的直流電壓從嘴里輸入，可調(diào)的穩(wěn)定電流從嘴里輸出，電路是通過什么方式調(diào)節(jié)輸出電流的，可調(diào)直流電流源能夠輸出的電壓最大是多少（即在輸出端能夠接的負(fù)載電阻最大值是多少）。當(dāng)這些問題弄清以后，試設(shè)計(jì)輸出電流可調(diào)范圍10.020.0v的可調(diào)直流電流源，將其討論過程以

15、及設(shè)計(jì)過程寫入報(bào)告中。仔細(xì)研究印刷電路板，在本印刷電路板上將要裝配的器件有：普通1/4w電阻器，電解電容器，瓷片電容器，發(fā)光二極管，三極管，三端穩(wěn)壓器7805，三端穩(wěn)壓器lm317，輸入和輸出接口等等。請(qǐng)仔細(xì)研究印刷電路上的圖形或符號(hào)，確定各位置所裝配的是何種元件。若是電解電容器和發(fā)光二極管，還要弄清板上的對(duì)應(yīng)“+”極和“-”極，若是三極管，要弄清板上的對(duì)應(yīng)的基極“b”極和集電極“c”極和發(fā)射極“e”極，若是三端穩(wěn)壓器，要弄清板上的對(duì)應(yīng)的”1”，”2”，”3”。仔細(xì)研究元器件，各電阻器及其阻值，精度，功率，電阻阻值 9常用晶體三極管的參數(shù)如附表所示。本電路就只是用到三極管的本特性，當(dāng)然三極管還

16、有其它的特性與功能，請(qǐng)實(shí)踐者參閱有關(guān)三極管的使用資料。我們可以利用發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓不變的特性和三極管的be（eb）間導(dǎo)通電壓不變的特性來構(gòu)成一個(gè)恒流源電路?？烧{(diào)電流源的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，在電源+vcc與三極管基極b之間接上發(fā)光二極管led，在電源與pnp型三極管（可用9012）的發(fā)射極e之間接上電阻re，這樣，re上的電壓就是恒定不變的為（vd-veb），電流源輸出電流從三極管的集電極c輸出，等于三極管發(fā)射極電流，這個(gè)電流由發(fā)光二極管導(dǎo)通電壓vd，三極管eb間導(dǎo)通電壓veb以及發(fā)射極負(fù)載電阻re決定，而與電流源負(fù)載電阻無關(guān)，這樣就構(gòu)成了一個(gè)輸出電流可調(diào)的電路結(jié)構(gòu)比 6較簡(jiǎn)單的電流源。電流

17、源供電電壓+vcc的確定：因最高的集電極電壓為12v，為保證電路正常工作，不能讓三極管進(jìn)入飽和工作狀態(tài)，需要bc間電壓高于1v，再考慮到發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓約為2v，因此+vcc +15v，取+16v。發(fā)射極負(fù)載電阻re的計(jì)算：發(fā)射極負(fù)載電阻re的等效電阻由電阻r4和m2端，n2端外并電阻決定。當(dāng)發(fā)射極電流（即輸出電流，后相同，不再提示）等于電阻r4的電流，此時(shí)電流最小，r4的電流應(yīng)為1ma。此時(shí)外并電阻為無窮大。 得 當(dāng)r4外并電阻r時(shí)，發(fā)射極負(fù)載等效電阻減少，發(fā)射極電流增大，當(dāng)外并電阻最小時(shí)，發(fā)射極電流最大。最大電流為100ma。流過外并電阻r的電流為99ma。即 得 ，即外并電阻最小為1

18、1。發(fā)光二極管限流電阻r5的確定，為了保證可調(diào)電流源能正常工作，發(fā)光二極管必須正常的導(dǎo)通，讓二極管導(dǎo)通電流在5ma10ma，當(dāng)電流源具有最大輸出電流時(shí)，三極管基極電流最大，按最小值計(jì)算，三極管基極電流最大有可能達(dá)到 7100/64=1.57ma.，因此二極管電流最小為6.57ma，因此發(fā)光二極管限流電阻最大值5=（16-2）/6.57=2.13k，可取r5=2k。本電路所使用的電阻的功率的討論：因本電路所有電阻的在正常工作條件下的電壓都小于12v，而p=uu/r，代入得r=144/0.25=576 ，即當(dāng)電阻值大于576 時(shí)，都可以使用1/4w普通電阻，若小于576 ，能否使用1/4w普通電阻需要討論，如r1=360 ，但正常工作時(shí)，r1上的電壓只有1.25v，所以正常工作時(shí)，r1的功率只有1.25*1.25/360=0.0043w，小于0.25w，所以可以用1/4w普通電阻。再如電流源若要輸出100ma電流時(shí)，需要外并11 電阻，正常工作時(shí)，加在這個(gè)電阻上的電壓為1,1v，所以正常工作時(shí)，這個(gè)電阻的功率只有1.1*1.1/11=0.11w，同樣小于0.25w，所以也可以用1/4w普通電阻。根據(jù)以上討論，本實(shí)踐項(xiàng)目所用電阻可全部采用1/4w普通電阻。型號(hào)極