4.5 实例12：1.2～20V、1A实验电源制作
在设计电子设备时，常常要进行预备实验。同时，在将印制电路板装入机壳前，往往也要进行实验。此时若有供实验用的电源，会十分方便。实验电源的要求是，无论电压还是电流，应随时可以调节。例如，有时只使用一个干电池，电压为1.5V，电流为50mA，有时需要至少20V的电压和数十毫安的电流。
本节介绍的实验电源为0～20V、1A直流电源。实验电源除输出电压和输出电流之外，还应注意什么问题呢？首先，由于输出电压是可变的，而且变化幅度较大，因此需要对电压进行检测，拟采用电压表，并尽可能正确地读出电压值。能够测量输出电压，是实验电源必备的，如果电流也可测量，则会更好。如果根据最大输出电流1A而采用1A的电流计，则不太有利。其原因是实验电源的输出电流有时在1mA以下，有时为数百毫安。最大刻度为1A的电流计只能精确测量数百毫安的电流，但大多数实验时只用数毫安至数十毫安的电流，不能测量小电流。根据这种情况，放弃装置1A的电流计，制作一个与实验电源相连的电流计箱。
4.5.1 电压可调的三端稳压集成电路LM317简介
目前三端稳压集成电路用得最多，其中电压可调的LM317稳压集成电路适合本实例。其外观与固定输出电压的三端稳压集成电路7812完全相同。LM317有几种类型，如相当于78L00系列的LM317L、用于TO—220的LM317T、用于TD—3的LM317K，实际上经常使用的是LM317T，可以认为一提到LM317，就是指LM317T。据此，本实例也使用LM317T。表4.2为LM317T的最大额定值和电气性能。LM317T中有电流和热保护回路，在过负荷条件下可防止被破坏，从实际使用中可知，只要不用锤砸碎，就不会被破坏，电气上是很可靠的。
表4.2 LM317T的最大额定值和电气性能
从电气性能上看，虽然ADJ（电压调整端）的电流及其变化均很小，但却是LM317T的特长。此电流相当于固定输出电压三端稳压器7812的无功电流IQ。LM317T有电流限制，输出电流为1.5A以上，有能力取得本实例所确定的1A电流。但是是否能承受功率损衰尚有疑问，以下对此问题进行讨论。由数据手册可知，LM317T的输出电压范围为1.2～37V。本实例的输出电压范围为1.2～20V。这里对输出电压回路进行设计，以便使用LM317T获得1.2～20V的电压。
图4.7所示电路的输出电压可在1.2～25V之间变化。在此电路中，可用R1和R2来设定输出电压。R2为可变电阻。若R1设定为120Ω，R2使用2kΩ可变电阻，则输出电压的可变范围比1.2～20V更大一些。
图4.7 输出电压可在1.2～20V之间变化
4.5.2 输出电压采用1.2～20V时的问题与对策
为使恒压回路稳定，输入电压与输出电压差（UI-O）宜为5V左右。这样，最大输出电压为20V时，输入电压需为25V，如图4.8所示。恒压回路上发生的功率损耗，在输出电压UOUT最小（1.2V）时最大，达23.8W。此值对于本实例的小型实验电源是不允许的。为了减小损耗，需采取对策，措施如图4.9所示，将输出电压分为低（1.2～10V）和高（9～20V）两挡，输入电压进行切换，具体来说，就是用电压比较器监测输出电压，并启动继电器切换输入电压。若用普通的电压比较器，切换时继电器有可能发生振动，故采用有滞后性能的电压比较器。
图4.8 输出1.2V、1A时功耗达23.8W
图4.9 减小功耗措施（输入电压按输出电压分挡切换）
由图4.10可知，高压时的功率损耗最大，但也仅为15W，与图4.8相比，减小约9W。这样就解决了一个难题。由表4.2可知，Tc=25℃时，功率损耗为15W，说明达到了极限，决定在LM317T中安装放大电流用的晶体管。有关电流放大回路与电流放大用晶体管的过电流保护回路的设想如图4.11所示。
本实例使用的电流放大用晶体管为2SB754，见表4.3。该晶体管用在本实例虽然容量略显过大，但由于外壳小，散热条件好，因而予以选用。
2SB754的hFE最小可达70，输出电流为1A时的基极电流IB仅为14mA左右。同时，LM317T上所发生的功率损耗最大约为0.21W（UI-O=15V时）。这样，小型的LM317L也能满足要求。实际上，虽然手头有LM317L，但从容易取得的角度考虑，仍采用LM317T。此外，由于安装了电流放大用的晶体管，为此设置过电流保护回路。
图4.10 低压和高压时的最大功率损耗
图4.11 安装放大电流用的晶体管
表4.3 2SB754最大额定值和电气性能
注：*hFE分类；O，70～140；Y，120～140。
4.5.3 1.2～20V、1A实验用直流电源电路
图4.12为1.2～20V、1A实验用直流电源电路电路图，虚线内为在印制电路板上制作的部分。
图4.12 1.2～20V、1A实验用直流电源电路原理图
运算放大器IC3是带滞后特性的电压比较器，基准电压加在+输入端，被检测电压，即输出电压加在-输入端（经过Rl与R2分压）。当输出电压下降到10V以下时，IC3的输出脚6变为低电平，VT3导通，继电器吸合，将输入电压切换至12V端。R1与R2的阻值选择如下：首先设R1为10kΩ，然后粗略计算R2约为3.3kΩ。如果不合适，则使用逐渐逼近法加以修正。修正后，R2取3.6kΩ。
4.5.4 制作与调试
（1）电源变压器
本实例最大输出电流为1A，在采用桥式整流的情况下，电源变压器二次绕组容量为24V×1A，设有12V的分接头，以便进行高/低压转换。
（2）继电器
G6A继电器有各种型号，本实例使用的是最普通的G6A—274P，其开关规格见表4.4。从表中看，转换后的通过电流没有问题，但是在引出输出电流1A的同时进行转换时情况如何？仍有些担心。因此，在引出接近1A电流的同时，在9～10V间改变输出电压，多次进行高/低压转换，结果未出现什么问题。
表4.4 继电器G6A—274P开关规格
G6A-274P的线圈部分在额定电压为5V、40mA（125Ω）时吸合，因此采用图4.12中的VT3（2SC1815）即可充分驱动。
（3）散热器及其他
本实例所使用的散热器根据机壳的大小，限制在宽为100mm、高为50mm。考虑到机壳本身的散热，本实例使用热阻抗稍小的UG型（L∶50）。本实例为实验电源，应能在实验中随时立即投入使用，故省去了电源开关。
测定电压的表头，如前所述拟使用较大型的，但从机壳大小考虑采用FUJIFA—52型。调整输出电压用的R2的阻值按图4.7确定。