电路实践讲义可调电压源与可调电流源教学电子教案

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1、电路实践系列讲义 杨菊秋 可调电压源与可调电流源中南林业科技大学电子实验室2011-3-25可调电压源与可调电流源（理论设计部分） 电源是电路中必不可少的电路器件，是给电路提供电能的单元电路。在电子电路中，所需要的电源主要是直流电源：直流稳压源（主要反映稳压源器件的参数有：额定输出电压值，额定输出功率，电源效率，纹波抑制系数，输出电压稳定系数等等），若输出电压可调称为可调直流稳压源，稳压源电路主要由变压，整流，滤波，稳压以及输出电压调节电路五部分组成，常用的直流稳压电源有串联式稳压直流电源和开关直流稳压电源，串联式稳压直流电源主要优点是电路结构简单，调节方便，缺点是效率低，开关直流稳压电源优点

2、是电源效率高，缺点是电路结构复杂成本较高。直流电流源（主要参数有输出电流，额定输出功率，等等），输出电流可调的称为可调电流源，电流源电路主要由电压转化成电流的电路构成。三端稳压器LM317简介LM317是三端稳压器，不稳定直流电压从LM317的输入端（3）输入，从输出端（2）输出稳定的直流电压。 LM317外形如左图所示，脚的编号从左至右为1，2，3。1调整端，2输出端，3输入端。不稳定电压从3端输入，从2端输出的电压为稳定电压。LM317的一个最重要的特性是：21之间电压恒为1.25V。其它特性需要了解的是：调整端（1）电流很小（小于0.05mA)，在工作电流比它大得多的条件下这个电流忽略不

3、计；输入端所加电 1 压小于40V；为保证三端稳压器正常稳定的工作，输入端电压要比输出端电压高于3V以上。一 以LM317为核心器件构成的输出电压可调的直流稳压电源的设计与电路参数的计算：不稳定的直流电压Ui从三端稳压器LM317的输入端（3）输入。输入电压低于40V，但需要比最高输出电压高出3V以上。本电路设计最高输出电压为12V，则本电路输入电压高于15V（本电路取16V左右）。可调的稳定直流电压Uo从三端稳压器LM317的输出端（2）输出，可调电压源电压大小由端子M1和N1之间外并的电阻确定。可调电压源额定输出电流大小由三端稳压器LM317 决定，当2三端稳压器装上散热片后，额定输出电流

4、为1.5A。本可调电压源设计指标：输出电压可调：1.25V12.00V； 额定输出电流：1A，额定输出电流的含义是，电路在正常工作的条件下，能够输出的最大电流。因为当输出电压恒定时，输出电流随着负载的变化而变化，负载电阻越小时，输出电流越大，所以要注意负载电阻不能取得太小，需要根据额定电流（或额定功率）进行计算。 三端稳压器LM317的输出端（2）到调整端(1)的电压恒定为1.25V，三端稳压器LM317的调整端（1）的电流小于50A，当控制电路工作电流比50A大得多时，这个电流可以忽略不计，即认为调整端（1）虚断路。本电路设计控制电路工作电流为5mA左右，比50A电流大得多（100倍），因此

5、调整端（1）的电流完全可以忽略不计。这样从三端稳压器LM317的输出端（2）流到调整端（1）的电流与从调整端（1）流到地GND的电流相同。设计思想：固定输出端（2）到调整端(1)的电阻RaR1/R2，则LM317从输出端（2）流到调整端(1) Ra的电流不变，而调整端（1）到地GND的等效电阻Rb（R3 / 端子M1和N1之间外接电阻）可调（通过改变端子M1和N1之间外并的电阻阻值的大小），由于流过调整端（1）到地GND的等效电阻的电流也不变，所以调整端（1）到地GND的电压随着调整端（1）到地GND的电阻的变化而变化，使得输出端电压变化。 3用以调节电压源输出电压。测试电流源时，将M2，N2

6、的导线的另一端分别连接到电阻模块的不同插口，用以调节电流源输出电流。分别测试各状态下的电压源的输出电压和电流源的输出电流，将测量数据用表格形式记录下来。2 分析故障和排除故障，并将分析和排除过程记录下来。理论部分：1 要求可调电压源的输出电压为3.8V10.2V，重新设计可调电压源电路。并画出电路原理图。2 要求可调电流源的输出电流为2mA64mA，重新设计可调电流源电路。并画出电路原理图。报告部分：1 课程设计题目，时间，地点，指导老师。2 课程设计目的。3 电路工作原理。4 参数确定与计算过程。5 测试数据表格。6 数据处理与说明。7 故障处理过程与体会。8 器件清单与电路原理图。考察与评

7、分 作品是否整齐与美观。 测量数据方法与结果是否正确。 元器件是否会辨认及元器件特性是否掌握。 理论计算方法与原理是否掌握。 报告内容是否真实，全面，认真等等。 12M1，N1，M2，N1分别接其单股导线的一端，单股导线的另一端悬空。仔细观察各焊接点，检查有无短路现象和虚焊现象。认真测量。在观察所焊接的电路板处于正常状态后，将16V电源接入到J1接口。可调电压源的测量：让M1，N1单股导线的悬空端分别插入J4的任意两点，测量输出电压，并记录对应的连线位置，接入的电阻阻值，输出电压测量值，理论值，设计表格并记录在表格中。可调电流源的测量：让M2，N2单股导线的悬空端分别插入J4的任意两点，测量输

8、出电流，并记录对应的连线位置，接入的电阻阻值，输出电流测量值，理论值，设计表格并记录在表格中。电路学习任务：实践部分：1 画电路原理图。3 查阅主要器件（LM317，发光二极管，三极管9012）的技术资料。4 辩认套件中所有电子元器件以及印刷电路板。5 焊接。其中四根导线的一端分别接在符号R的两端和符号C的两端，另一端悬空。6 测试：在M1，N1端没有外接电阻时，可调电压源的输出电压是最高的，理论值为12V。在M，N端没有外接电阻时，可调电流源的输出电流是最小的，理论值为mA。四根导线的一端分别接在M1，N1，M2，N2端。测试电压源时，将M1，N1的导线的另一端分别连接到电阻模块的不同插口，

9、 11 其中Ra是输出端（2）到调整端(1)的电阻R1/R2。Rb是调整端（1）到地GND的等效电阻。下面确定电阻Rb的最小值Rbmin和最大值Rbmax与电阻Ra的关系。当电阻Rb取最小值Rbmin时，输出电压最低为1.25V，因此，关系式 成立，得 当电阻Rb取最大值Rbmax时，输出电压最高为12.00V，因此，关系式 成立，得 当取Rbmax=3K时，Ra=349（可用360并10K得到）。当然也可以用其它组合，只要注意到Ra的电阻值不要取得过大（一般不要大于500），过大时，工作电流过小，调整端的电流就不能忽略不计了，前面的计算方法也就不再正确，当然也不要取得太小（一 4般不要小于1

10、00），太小时工作电流太大，造成不必要的功率浪费。二 可调电流源电路工作原理与电路参数的计算：电流源输出电流可调 1mA-100mA电流源额定输出电压 12V 额定输出电压的含义是，电路在正常工作的条件下，能够输出的最高电压。因为当输出电流恒定时，输出电压随着负载的变化而变化，负载电阻越大时，输出电压越高，所以要注意负载电阻不能取得太大，需要根据额定电压（或额定功率）进行计算。发光二极管是一个常用的电子元件，发光二极管有一个重要特性：当发光二极管正常导通时，二极管的导通电压是不变的（相当于稳压管的作用）与它的导通电流无关，这个导通电压大小由发光二极管的材料决定，红色黄色发光二极管1.8V，绿色

11、发光二极管2.0V，蓝色发光二极管2.2V。注意：普通发光二极管要使其正常发光，要通以适当的电流，大约在3mA20mA，一般取5mA10mA。注意不能超过20mA。本电路选用常用的红色发光二极管。长脚为+，短脚为-。晶体三极管是一个常用的电子元件，晶体三极管有一个重要特性：当三极管在正常导通状态条件下工作时，三极管be之间的电压（NPN型）或eb之间的电压（PNP型）是恒定的，与三极管的导通电流无关，这个常用的恒定电压大小由三极管的材料决定的，常用的硅材料三极管为0.7V。 5可从电阻上所标的色码直接读出，或者用万能表的欧姆档直接测量确定。各瓷片电容及其电容量（标注在电容上）。各发光二极管及其

12、”+”-“极。各电解电容器及其”+”-“极以及电容量耐压值（它们直接标注在电容器的侧面上）。三极管及其”e”b”c”极。各三端稳压器及其”1”，”2”，”3”脚。三端稳压器7805，功能是输出稳定的+5V电压，不稳定的电压从”1”脚输入，稳定的电压从”3”脚输入，2脚接地。”1”，”2”，”3”脚的识别方式与LM317相同。附：元器件表编号规格编号规格编号规格编号规格编号规格R1360R7100R136.8KU1LM317J3R210KR8200R1415KU27805J4R33KR9390C1103Q9012M1R41.1KR10820C210FLED红N1R52KR111.6KC3103J

13、1M2R651R123.3KC410FJ2N2以上器件中，J都都是接口，M1M2N1N2都是单股导线。认真焊接。按照印刷板上器件编号找到相应的元件，按以下顺序焊接：电阻，瓷片电容，发光二极管，接口，电解电容，三端稳压器，单股导线。焊接过程中注意以下问题：各发光二极管”+”-“极。各电解电容器”+”-“极、各三端稳压器及其”1”，”2”，”3”脚。的确定方法与LM317相同。J1，J2和J3要与前后续电路的输入输出电源接口方位相一致，因此要注意其方位。 10可调电压源与可调电流源（实践制作测试部分）仔细研究电路原理图，关于可调电压源弄清以下问题：可调电压源电路由哪些电子元器件构成，不稳定的直流电

14、压从哪里输入，可调的稳定电压从哪里输出，电路是通过什么方式调节输出电压的，可调直流电压源能够输出的电流最大是多少（即在输出端能够接的负载电阻最小值是多少）。当这些问题弄清以后，试设计输出电压可调范围3.09.0V的可调直流电压源，将其讨论过程写入报告中。仔细研究电路原理图，关于可调电流源弄清以下问题：可调电流源电路由哪些电子元器件构成，不稳定的直流电压从嘴里输入，可调的稳定电流从嘴里输出，电路是通过什么方式调节输出电流的，可调直流电流源能够输出的电压最大是多少（即在输出端能够接的负载电阻最大值是多少）。当这些问题弄清以后，试设计输出电流可调范围10.020.0V的可调直流电流源，将其讨论过程以

15、及设计过程写入报告中。仔细研究印刷电路板，在本印刷电路板上将要装配的器件有：普通1/4W电阻器，电解电容器，瓷片电容器，发光二极管，三极管，三端稳压器7805，三端稳压器LM317，输入和输出接口等等。请仔细研究印刷电路上的图形或符号，确定各位置所装配的是何种元件。若是电解电容器和发光二极管，还要弄清板上的对应“+”极和“-”极，若是三极管，要弄清板上的对应的基极“b”极和集电极“c”极和发射极“e”极，若是三端稳压器，要弄清板上的对应的”1”，”2”，”3”。仔细研究元器件，各电阻器及其阻值，精度，功率，电阻阻值 9常用晶体三极管的参数如附表所示。本电路就只是用到三极管的本特性，当然三极管还

16、有其它的特性与功能，请实践者参阅有关三极管的使用资料。我们可以利用发光二极管的导通电压不变的特性和三极管的be（eb）间导通电压不变的特性来构成一个恒流源电路。可调电流源的电路结构如图2所示，在电源+VCC与三极管基极b之间接上发光二极管LED，在电源与PNP型三极管（可用9012）的发射极e之间接上电阻Re，这样，Re上的电压就是恒定不变的为（VD-Veb），电流源输出电流从三极管的集电极c输出，等于三极管发射极电流，这个电流由发光二极管导通电压VD，三极管eb间导通电压Veb以及发射极负载电阻Re决定，而与电流源负载电阻无关，这样就构成了一个输出电流可调的电路结构比 6较简单的电流源。电流

17、源供电电压+VCC的确定：因最高的集电极电压为12V，为保证电路正常工作，不能让三极管进入饱和工作状态，需要bc间电压高于1V，再考虑到发光二极管的导通电压约为2V，因此+VCC > +15V，取+16V。发射极负载电阻Re的计算：发射极负载电阻Re的等效电阻由电阻R4和M2端，N2端外并电阻决定。当发射极电流（即输出电流，后相同，不再提示）等于电阻R4的电流，此时电流最小，R4的电流应为1mA。此时外并电阻为无穷大。 得 当R4外并电阻R时，发射极负载等效电阻减少，发射极电流增大，当外并电阻最小时，发射极电流最大。最大电流为100mA。流过外并电阻R的电流为99mA。即 得 ，即外并电

18、阻最小为11。发光二极管限流电阻R5的确定，为了保证可调电流源能正常工作，发光二极管必须正常的导通，让二极管导通电流在5mA10mA，当电流源具有最大输出电流时，三极管基极电流最大，按最小值计算，三极管基极电流最大有可能达到 7100/64=1.57mA.，因此二极管电流最小为6.57mA，因此发光二极管限流电阻最大值5=（16-2）/6.57=2.13K，可取R5=2K。本电路所使用的电阻的功率的讨论：因本电路所有电阻的在正常工作条件下的电压都小于12V，而P=UU/R，代入得R=144/0.25=576 ，即当电阻值大于576 时，都可以使用1/4W普通电阻，若小于576 ，能否使用1/4

19、W普通电阻需要讨论，如R1=360 ，但正常工作时，R1上的电压只有1.25V，所以正常工作时，R1的功率只有1.25*1.25/360=0.0043W，小于0.25W，所以可以用1/4W普通电阻。再如电流源若要输出100mA电流时，需要外并11 电阻，正常工作时，加在这个电阻上的电压为1,1V，所以正常工作时，这个电阻的功率只有1.1*1.1/11=0.11W，同样小于0.25W，所以也可以用1/4W普通电阻。根据以上讨论，本实践项目所用电阻可全部采用1/4W普通电阻。型号极性P（W）Ic(mA)VCEO(V)fT(MHz)封装9012PNP0.6255002064/300150TO-929013NPN0.6255002064/300150TO-929014NPN0.451004560/600100TO-929018NPN0.315018 40/200600TO-92 输出电流误差的讨论，输出电流（三极管的集电极电流）其实并不等于三极管发射极电流，而等于发射极电流减去基极电流，而基极电流是集电极电流的1/，所以越大时，基极电流越小，本电路电流源输出电流误差就越小，从三极管的特性数据中可以知道，在64300之间，所以误差一般在1左右。附表：常用三极管特性 8