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低壓可調穩壓器
2011-07-21

  需從汽車的點煙插座操作一台CD、DVD、或MP3播放機嗎?又或者想從你PC內部取得電源把數碼相機用作Web-Cam或供電到揚聲器嗎?這個低壓可調穩壓器正是你的好幫手,它把其輸出逐級下降至你所需的電壓,利用跳線帽選擇六個常用的輸出電壓(由3V至15V),並且能給與一個剛好超過4A的電流輸出。


  考慮到電池的價格、環保因素、以及運行於低壓電池的小電子裝置日益增多下,讀者們毫無疑問最普遍的要求是一個適配的萬用電源,只要通過它便能把這類的設備從PC內部或汽車的點煙插座取得供應的電源.


  這裡我們所講的電池操作設備是設計在3V、6V或9V的,而汽車電池或PC電源對此竟是頗多的限制,例如汽車上供應的通常只有12V或24V,而大多數PC電源可用的則只有5V和12V,認真不便。


  此外,汽車上供應之電壓極之不穩定,可以是很大範圍的變化,視乎於引擎是否在運行當中、電池是否正充電中、又車頭燈或空調是否開著,這種電壓變化對於電路可構成問題,低壓裝置如在一個穩壓電源操作下普遍是獲得更佳的性能和更加可靠。


  這個低壓可調穩壓器設計實際可適應於任何這些常用的DC降壓用途上,它可連接到輸入電壓高至約28V的任何方便的電源,並利用插推的跳線帽"編程",輸送六種輸出電壓:3V、5V、6V、9V、12V、或15V,在每一情況當中,輸出電壓是非常穩定,維持於非常接近所選的電壓,儘管輸入電壓和負載電流有著闊大的變化。


電路解說


  圖1所示為整體電路,其核心是一個LM317T可調三端穩壓管,封裝屬於TO-220。

圖1:電路建基於LM317T可調三端穩壓管和用來提升輸出電流能力的PNP達林頓管(Q1) 上,

輸出電壓由穩壓管的OUT與ADJ兩端上的電阻分壓器設定,視乎於跳線帽的插放位置。


  LM317設計上是要維持其輸出端(OUT)與調節端(ADJ)之間的電壓接近於1.25V,與此同時,流過其ADJ端的電流電平要維持於一個很低的電平(一般50μA),而在全額定負載電流範圍(10mA-1.5A)下 和在輸入-輸出電壓範圍3V至40V下之變化少於5μA。


  LM317的實際穩定輸出電壓可利用一個簡單的電阻分壓器改變於闊大的範圍,正如圖1所示,該分壓器的上部電阻是連接於穩壓管REG1的OUT與ADJ兩端之間,而下部電阻是連接於ADJ端與負電壓軌之間。


  由於LM317要維持上部電阻兩端於1.25V,只要調節下分壓電阻的數值,就可以設定總輸出電壓至這電平上的實際任何電壓,下部電阻的數值計算要顧及到它需之降壓是預期的輸出電壓減去1.25V,而流過的電流亦流入上部電阻,再加上額外之50μA(來自ADJ端)。


  在本電路中,上分壓電阻是120Ω,給與一個1.25/0.05= 10.42mA的額定電流,因此,流過下分壓電阻的電流是10.42 + 0.05 =10.47mA。


  下分壓電阻的數值是利用跳線帽來改變,它從六個“電壓選擇”連接其中一對針腳,例如,跳線帽安裝在3V位置,下分壓電阻是160Ω;同理,插放在6V位置時,下分壓電阻數值便定在(160 +180+18+91)=449Ω。


  由每一跳線位置選擇的電阻值是經過計算出來的,在使用標準電阻誤差值下令到LM317輸出電壓盡量接近標示的電壓值。


增強電流


  以上就是如何去調節輸出電壓,然而,由於LM317只能適舒地應付高至大約1.5A的電流,如想這電源適配器供給更大的電流,就要加入增強措施。在本電路中,這是由BDX54C/BD650 PNP達林頓功率管(Q1)。


  Q1在其基極與發射極兩端連接22Ω電阻,又與LM317的輸入串聯,於是,當LM317汲取電流時便在這22Ω電阻上形成電壓,為Q1 提供正向偏壓。


  因著負載汲取的電流流過LM317已上升至約55mA時,22Ω電阻上的降壓就會有約近1.2V,這個偏壓便足以給Q1導通。當負載電流再進一步超過這55mA電平時,Q1逐步取代LM317,並且處理越來越多的電流,負載電流越大,Q1處理的電流比例也更大。


  由Q1提供的增強電流並不會使到LM317的穩壓性能下降,穩壓器仍然以正常的手段緊貼控制輸出電壓電平,並改變其自身的電流從而改變流過Q1的電流。查實,Q1純粹充當為穩壓器的一個隨從,提升總輸出電流能力。


  電源適配器輸入上的470μF電容,提供平滑和濾波作用,以減低可能出現在輸入電壓上任何交流發電機噪聲或電源紋波的影響。連接於LM317的ADJ端與負電壓軌離間的10μF電容提供進一步濾波,又輸出端的100nF與10μF電容也是有同樣的效用。


電流、功率、散熱


在動手製作前,最重要是理解決定負載電流量的兩個因素:


1. 輸入電壓與所選擇輸出電壓兩者之差,


2. 安裝於電流增強管Q1(及小部份在穩壓管REG1)上的散熱量。


  這些事情全部連在一起,因為電源適配器的最大輸出電流主要限制是Q1與REG1當中的熱耗散,Q1只可稍高過20W(此時管殼溫度已高達100℃),而REG1內部是有過流與過熱保護,限制其功率耗散至不足約15W。


   這些限制了控制電源適配器的輸出電流,原因是Q1與REG1的管殼溫度是與它們須損耗的功率成正比,其功耗繼而取決於它們身上的降壓(即電源適配器的輸出與輸入電壓之差)乘以輸出電流。


這可以用數學方式表達它,其程式為:


Ptot = x (Vin - Vout)


  式中Ptot是總功耗,單位瓦(W);Iload為負載電流,單位安(A) ;Vin與 Vout分別為適配器的輸入與輸出電壓。


  所以,要把握的重點是(Vin- Vout) 電壓差越大,適配器能處理的最大負載電流就越小。


  對於一個已定量功耗到底Q1與REG1身上實際會有多熱,這要視乎於散熱器有多大了。嚴格來講,每一管的溫度上升是由損耗的功率決定,和其內部結與周圍環境之間的熱阻決定,如下表達:


T(c-a)= Ptot x R(j - a)


  式中T(c-a) 是管殼溫度上升至環境溫度以上,R(j - a) 是結與環境之熱阻。後者由兩個串聯的熱阻組成-結至管殼的熱阻和管殼至環境的熱阻:


R(j-a)= R(j-c)+ R(c-a)

  式中R(j-c) 是由結至管殼的內部熱阻,對於好像Q1或REG1這類之TO-220封裝晶體管來講,大約每瓦4℃;R(c-a) 是由管殼至環境的熱阻,這可以藉著把晶體管安裝在散熱器上來降低。


  例如,像Q1這類之TO-220封裝的晶體管,如完全沒有任何的散熱器,其熱阻R(c-a)大約每瓦46℃,所以,對於它每損耗1瓦的功率,其溫度會令環境上升約(4+46)=50℃。


  如把一個即使很細小的散熱器安裝在它身上的話,比如Jaycar HH-8502,這就將R(c-a)下降至每瓦20℃,因此對於每1瓦損耗之功率便將先前令環境上升的總溫度下降至(4+20)= 24℃。所以,於Q1上安裝這個小散熱器便可以令電源適配器的功耗能力提升近乎一倍。


  如Q1改用更大型的散熱器,比如Jaycar HH-8511(可與REG1共用,因後者不是有很大的損耗),效果更佳,大型散熱器把R(c-a)降低至每瓦6℃,每1瓦損耗之功率導致總溫度上升僅(4+6)= 10℃。


  R(c-a) 數值甚至可進一步減低,只要Q1用一個甚至更巨大的散熱器安裝,讓它獲得更多的功率耗散,然而,這涉及到將Q1安裝在電路板外邊。


  總的來說,如想電源適配器儘可能供應更大的電流,必須藉著減低Vin來限制(Vin-Vout),可是,Vin必須比Vout高至少3V,才能令適配器正常工作。

  如果你無法擺脫某一輸入電壓(例如12V),增加適配器輸出電流能力的唯一方法是為Q1設置一個更大的散熱器,此是剛才討論過的。


實 例


  比如你想在車裡面使用一部手提CD播放機,利用點煙插座經電源適配器供給電壓,該CD播放機需3V DC操作,所以Vin是3V,而適配器必須降壓12-3= 9V。


  現在假定Q1只裝上一個細小的HH-8502散熱器,那麼在環境溫度高達40℃下它能輸送多少電流給這CD機呢?


  從早前看見,裝上有這小散熱器的Q1,其總R(c-a) 大約每瓦24℃,所以如果想其上升的溫度不多於原40℃環境溫度之上的60℃(即總溫度最高100℃),應提出Q1的最大功率是60/24 = 2.5W。倘若適配器降壓9V,這相當于最大負載電流2.5/9,即約275mA(功率=電壓x電流,所以電流=功率/電壓)。


  如果CD播放機需汲取超過這電流,就要給Q1安裝一個更大的散熱器,例如HH-8511,讓它輸送6/9A = 660mA。


  如覺得這個電流額定值很低的話,視它一個在很嚴苛的情況個例子,指出要從相當高的輸入電壓但卻要產生最低的可選輸出電壓。


  又另一個容易的例子,假定你想用9V供給一部收音機或一些其他裝置,但仍想電源適配器從12V運作,換言之Q1只有降壓(12-9=3V) ,故此,一個細小的HH-8502散熱器已能傳送多至2.5/3=830mA;另一選擇,用大的HH-8511散熱器,更能供給6/3 = 2A。


  為使到大家更容易選擇符合你應用中所需的散熱器,特意為最有可能的輸入電壓和輸出電壓組合做了一個參考表(表1),須注意這裡僅示出實用的組合-即輸入是比輸出高至少3V,這樣電源適配器才能正常工作。


製 作


  電源適配器的所用元件全部安裝於一塊大小為107×39mm的印刷電路板上,佈線圖已於下面網址下載:
http://www.epemag3.com/index.php?option=com_docman&task=doc_details&gid=287&Itemid=38文件名稱pcb0910.zip,經解壓後取出769.pdf便是佈線圖。


  圖2電路板的元件佈局圖。開始組裝,先焊接接線釘(作為外部的連線點) 和6×2排針(給跳線帽選擇輸出電壓),之後是一根跨接線,剛好在120Ω電阻之下。

圖2:電路板上各元件的安裝實況,輸出電壓由跳線帽插放在排針上的位置決定。


  下一步,安裝10個電阻,注意每一個插放在其正確位置上,焊接之前建議用數字萬用表檢查每一電阻,因為電阻體上有些顏色是容易錯認的。


  繼電阻之後,輪到電容,先是無極性100nF MKT電容,位於上方輸出端,跟著三個電解電容,安裝時注意其方位,因它們帶有極性。


  下一個是散熱器(HH-8502或是較大的HH-8511-參看表1),再跟住REG1和Q1,這兩管是以平臥式安裝,其引腳於近管殼約6mm處彎曲90°,使到它們穿入電路板上各自的孔洞。

表1:電源適配器的輸出電流額定值。利用此表選擇所需的散熱器,配合穩壓器的輸出電流,請注意,有作出此選擇時也要考慮輸入與輸出電壓差。


  如Q1只用細小的HH-8502散熱器,REG1可直接安裝在板上(即無需散熱器),其金屬翼片則用M3×6mm機械螺絲及螺帽鎖緊,機械螺絲與螺帽連同板下的銅佈線也為REG1提供附帶散熱作用。


  翼片一固定了,即可焊接其引腳到板下的焊墊上,切勿於收緊翼片螺絲之前去焊管腳-若這樣做的話會構成壓力,令焊接點破裂。


  Q1安放在其散熱器上面,使用導熱墊片或塗抹散熱膏,確保有良好的熱結合層。然後用M3× 6mm螺絲及螺帽鎖緊於板上,隨之焊接Q1引腳。


  另一做法,可將Q1與REG1一同安裝大的HH-8511“U”形散熱器上,亦是用導熱墊片或塗抹散熱膏,確保有良好的熱結合層,又如先前所講,先由螺絲固定組件後焊接引腳。


散熱器上的電壓


  Q1與REG1的金屬翼片不一定要彼此(或與散熱器)有電氣隔離,因它們同站在輸出電壓上(即Q1的翼片是其集電極及REG1的翼片是其輸出端),可是,這亦表示當接上電源時散熱器也操作於輸出電壓上,所以,須弄清楚它不許與其他東西造成短路。


  如打算將Q1安裝在板外的一個更大的散熱器上,這也是一個重要的考慮,在這情況中,你要使用TO-220絕緣套件(即是隔熱墊片和安裝螺絲用的絕緣套管) ,這樣散熱器便可與其他設備接地了。


電壓選擇


  下一步,安放跳線帽,從而選擇所需的輸出電壓,做妥之後連接DC電源(它必須提供比你想之輸出電壓高至少3V),然後用數字萬用表檢查實際之輸出電壓,應於±3%之內。


  如正打算電源適配器的輸入電壓是從汽車電池獲得的話,可於輸入線上安裝一個與汽車點煙插座相配的插頭。


  同理,如正打算電源適配器的輸入電壓是從PC電源獲得的話,輸入線上安裝與PC內裡備用電源連接器相配的四線插頭(即如硬盤後面所用的)。


  圖3為採用這類的插頭連接,提供12V給穩壓器電路板,可是,要注意的是這輸入電壓只適宜輸出電壓高至9V。

圖3:硬盤的電源插頭可利用來從PC電源的12V輸出接至穩壓器板的輸入。


輸出連接器


  電源適配器的輸出線可裝上適合的電源插頭,方便供電給你設備,一般是用同軸低壓DC插頭。


  最後,在將電源適配器安放到機箱內時,看清楚它是否有足夠的通氣孔,排放它可能產生的熱量。

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