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、電子儀器和電子設備的使用壽命、使用性能等影響很大，尤其在帶有感性負載的電路和設備(如電機)中，對電源的性能要求更高。在很多應用直流電機的場合中，要求為電機驅動電路提供1個其輸出能從0 V開始連續可調(0～24 V)的直流電源，并且要求電源有保護功能。實際上就是要求設計一個具有足夠調壓范圍和帶負載能力的直流穩壓電源電路。該電路的設計關鍵在于穩壓電路的設計，其要求是輸出電壓從0 V開始連續可調；所選器件和電路必須達到在較寬范圍內輸出電壓可調；輸出電壓應能夠適應所帶負載的啟動性能。此外，電路還必須簡單可靠，能夠輸出足夠大的電流。
2 電路的設計
符合上述要求的電源電路的設計方法有很多種，比較簡單的有3種：
(1)晶體管串聯式直流穩壓電路。電路框圖如圖1所示，該電路中，輸出電壓UO經取樣電路取樣后得到取樣電壓，取樣電壓與基準電壓進行比較得到誤差電壓，該誤差電壓對調整管的工作狀態進行調整，從而使輸出電壓發生變化，該變化與由于供電電壓UI發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(穩壓值)。因輸出電壓要求從0 V起實現連續可調，因此要在基準電壓處設計輔助電源，用于控制輸出電壓能夠從0 V開始調節。
單純的串聯式直流穩壓電源電路很簡單，但增加輔助電源后，電路比較復雜，由于都采用分立元件，電路的可靠性難以保證。
(2)采用三端集成穩壓器電路。如圖2所示，他采用輸出電壓可調且內部有過載保護的三端集成穩壓器，輸出電壓調整范圍較寬，設計一電壓補償電路可實現輸出電壓從0 V起連續可調，因要求電路具有很強的帶負載能力，需設計一軟啟動電路以適應所帶負載的啟動性能。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直流穩壓電源。該電路采用可控硅作為第一級調壓元件，用穩壓電源芯片LM317，LM337作為第二級調壓元件，通過AT89CS51單片機控制繼電器改變電阻網絡的阻值，從而改變調壓元件的外圍參數，并加上軟啟動電路，獲得0～24 V，0.1 V步長，驅動能力可達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、穩壓及輸出電壓控制電路、電壓電流采樣電路、掉電前重要數據存儲電路、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。穩壓電路由三端穩壓芯片LM317(負壓用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絡。電阻網絡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前電壓電流進行采樣，以修正輸出電壓值。掉電前重要數據存儲電路用以保存當前設置的電壓值，可以方便用戶在重新上電后不用設置，而且也不會因為電壓值過高損壞用戶設備。
該電源穩定性好、精度高，并且能夠輸出±24 V范圍內的可調直流電壓，且其性能優于傳統的可調直流穩壓電源，但是電路比較復雜，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)，多采用第二種設計方案。
3 實際電路的設計
電路采用三端集成穩壓器電路方案，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)三端集成穩壓器LM317及其調壓原理。圖4中IC采用了LM317系列三端集成穩壓器，其輸出電壓調節范圍可達1.25～37 V，輸出電流可達1.5 A，內部帶有過載保護電路，具有穩壓精度高、工作可靠等特點。其輸出電壓的調節原理如圖5所示。由于LM317的2，3腳之間的電壓U32為一穩定的基準電壓(1.25 V)，故有：
其中，R1為固定電阻，故調節R2可以調節輸出電壓UO，并且UO的最小值為1.25 V。
(2)電壓補償電路的設計。因要求輸出電壓從0 V起調，LM317集成穩壓器不能直接滿足要求，需設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的基準電壓(1.25 V)。這里用3只串聯的鍺材料整流二極管的導通壓降來實現。當調節R2少，使U3達到與UD相等時，輸出電壓即為0 V。之后，當調節R2逐漸增大時，UO即由0 V開始增大。由于負載電流流過D，故D的最大工作電流應能適應負載電流的要求。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，以適應感性負載(如直流電機)的啟動特性。當輸入電壓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為一穩定電壓)，所以UO也升高。當C充滿電時，T被截止，啟動電路失去作用，UO也達到設定值。啟動的時間可以通過改變C和R的值進行調整。
(4)改進方案。由于該電路的輸出電壓的調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整過程中，容易調過頭或調不足，要準確地實現0～24 V寬范圍的電壓任一電壓有些調整比較麻煩，必須反復調整，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檔串聯實現，通過一個開關實現電阻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通過改變電位器R2'的阻值得到所需要的準確的直流電壓輸出。電路如圖6所示。
(5)電路主要測試數據。接上電源變壓器和整流濾波電路以后對電路進行測試的結果為：電路在負載為1 A時輸出電壓調整范圍如表1所示；在輸出電壓為額定值(24 V)下的負載特性如表2所示。電網電壓波動±10％(負載電流1 A)情況下輸出電壓如表3所示。
4 結 語
該穩壓電路應用三端集成穩壓電器，并加入補償電壓的方法解決LM317系列輸出電壓不能從0 V開始起調的問題。軟啟動電路的引入適應負載的啟動特性。電路的結構簡單、功能完善、可靠性高 |
