壹前言一研究動機直流電源供應器在電子電路實驗的課程中, 扮演著不可或缺的重要角色, 不管是在電子學或者是數位邏輯, 都一定需要直流電壓來供應各類積體電子電路的運作 ; 而偶爾在課堂上發生電路錯接或者遇到 IC 損壞時, 都可以發現電源供應器上的限流保護功能, 幫助我們避免損害進一步的擴大, 在

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押念裴
7 years ago
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1 投稿類別 : 工程技術類篇名 : 利用 LM317 製作具有限流功能的電源供應器作者 : 李博宬高雄市立高雄高級工業職業學校資訊二甲指導老師 : 陳彥良老師

壹前言一研究動機直流電源供應器在電子電路實驗的課程中, 扮演著不可或缺的重要角色, 不管是在電子學或者是數位邏輯, 都一定需要直流電壓來供應各類積體電子電路的運作 ; 而偶爾在課堂上發生電路錯接或者遇到 IC 損壞時, 都可以發現電源供應器上的限流保護功能, 幫助我們避免損害進一步的擴大, 在受到這個功能保護的同時, 也令人不禁好奇當中的原理與機制,

2 壹前言一研究動機直流電源供應器在電子電路實驗的課程中, 扮演著不可或缺的重要角色, 不管是在電子學或者是數位邏輯, 都一定需要直流電壓來供應各類積體電子電路的運作 ; 而偶爾在課堂上發生電路錯接或者遇到 IC 損壞時, 都可以發現電源供應器上的限流保護功能, 幫助我們避免損害進一步的擴大, 在受到這個功能保護的同時, 也令人不禁好奇當中的原理與機制, 激起想進一步實際探討與製作具有限流功能的電源供應器的慾望透過學校的課程作業及網路資料的查詢, 了解到了 LM317 是一顆普遍而容易使用功能又完整的穩壓 IC, 因此決定使用此 IC 來探討並完成此次主題二研究目的 1. 了解 LM317 的電氣特性和應用電路 2. 建立實際 LM317 電路參數的設計能力 3. 使用 LM317 製作具限流功能的電源供應器三研究流程 1

3 貳正文一 LM317 特性介紹可調整穩壓器 LM317 最早為美國國家半導體公司所出品, 現在則已有多家公司生產, 這些不同廠家生產的 LM317 除了在型號封裝及電流能力不同外, 在運用上幾乎是完全相容 LM317 的輸出電壓範圍可以從 1.25V 一直涵蓋到 37V, 負載電流最大為 1.5A, 並且提供有多種的包裝以適合於各類不同的應用需求, 使用非常簡單, 只要兩個外接電阻便可很快速而正確的設定輸出電壓其內部功能區塊圖如圖 2 所示圖 1 基本的應用電路只要兩個外接電阻圖 2 LM317 內部功能區塊圖表 1 德州儀器公司所生產的各類 LM317 包裝和其不同的輸出電流能力二 LM317 電壓調整原理解釋 LM317 輸出電壓可在 V 之間連續調節, 最大的輸出電流為 1.5A, 參考圖 3 電路圖所示, 其輸出電壓由兩個外接電阻 R1 R2 決定,Vout 和 Adj 之間的電壓差固定為 1.25V, 2

4 這個電壓將在 R1 產生一個固定的電流, 經 R1 R2 到地, 並在 R2 上建立電壓, 此電壓亦即為 Adj 端電壓, 而 Adj 端電壓再加上 1.25V 就是輸出電壓, 換言之, 透過改變 R2 阻值就能改變 Adj 端電壓進而調整輸出電壓 ; 某些廠商建議, 為了得到穩定的輸出電壓, 流經 R1 的電流應不小於 3.5mA, 但經實際測試小至 2mA 都還可以得到穩定的輸出電壓通常 LM317 在不加散熱器時最大功耗為 2W, 加上 mm3 散熱板時其最大功耗可達 15W 其輸出電壓可經以下公式求得 : Vout = 1.25 * (1+ R2/R1) + Iadj * R2 圖 3 可調整輸出電壓之 LM317 應用電路三 LM317 限流電路原理解釋 LM317 除了能做為穩壓器之外尚可透過不同的連接規劃而轉身成為一個限流器, 如圖 4 的連接方式,LM317 的 Vout 透過 R1 直接輸出至負載端, 並且從負載端拉回連接至 Adj, 由於輸出電流直接流經 R1, 所以當輸出電流和 R1 的乘積 1.25V 時,LM317 將會關閉從而限制 Iout 的輸出直至輸出電流和 R1 的乘積 <1.25V 才又再度開啟, 如此亦等同於將輸出電流限制在 1.25V/R1, 故透過 R1 的設置規劃則可得到一個可以預測的輸出電流極限值, 形成一個簡單有效的電流保護電路圖 4 可限制輸出電流之 LM317 應用電路 3

5 四 LM317 的功率損耗探討如前所述 LM317 的輸出電壓可以從 1.25V 直至 37V, 在最極限的情況下, 當輸入電壓為 39V, 而輸出電壓為 1.25V, 輸出電流為 1.5A, 則此時以輸入電壓減輸出電壓得到兩者的電壓差為 37.75V, 這個電壓差直接跨在 LM317 的輸入和輸出端, 意即 LM317 此時直接承受著此 37.75V 壓降, 以功率等於電壓和電流的乘積計算消耗功率 P = I * V = 1.5 * = (Watt), Watt 這麼大的消耗功率對於 LM317 來說是一個不合理的值 ; 若假設我們增加了一個適當大小的散熱片使 LM317 能耐受 10Watt 的消耗功率, 則我們可以根據此條件重新計算一個相對應的最大電流限制值, 電流限制值 I = P / V = 10 / = (A) 依上述計算可得知, 在只能耐受 10Watt 消耗功率的條件下,LM317 穩壓電路設計的極限電流值應該被限制在 0.265A 以下才能安全的全區域操作 ; 不過當輸出電壓是一個較高的值時, 由於跨於 LM317 的壓差變小了, 此電流限制值按理應當要大於 0.265A, 所以設置幾個不同的電流極限值以配合不同的電壓輸出或許是較為兼顧安全與實用的方式五電路設計 (1) 為了得到穩定的輸出電壓, 設定 3mA 為跨於 Vout 和 Adj 間電阻的的電流值, 所以此電阻的電阻值為 : 1.25 / = Ω (2) 設定最高輸出電壓為 30V, 則位於 Adj 和地之間的電阻的電阻值為 : ( ) / = Ω 因為要做為可調整電壓的穩壓器, 所以此顆電阻為 10KΩ 的可調電阻 4

6 (3) 設定電流限制值為 0.265A, 則 Vout 和負載間的電阻其電阻值為 : 1.25 / = Ω 依前述為兼顧安全與實用增設兩個不同的電流極限值以配合不同的電壓輸出需求, 設定第二段電流限制值為 0.53A, 則 Vout 和負載間的電阻其電阻值為 : 1.25 / 0.53 = // 4.7 Ω 設定第三段電流限制值為 0.8A, 則 Vout 和負載間的電阻其電阻值為 : 1.25 / 0.8 = // 4.7 // 4.7 Ω 按照以上主要零件計算設定值後可繪製電路圖如圖 5 所示圖 5 具限流功能的電源供應器電路圖六機構設計如以下圖 6 所示, 由於設定 LM317 的最大消耗功率有 10Watt 之多, 若無風扇的幫忙散熱, 恐怕會有過熱的疑慮, 所以預計裝設一個交流風扇, 再者為了能即時了解電源供應器輸出電流及電壓是否工作在所設定的值, 故也預計按裝數位電壓錶和數位電流錶各一個, 而為了能有三段的電流極限值設定, 必需要裝設有兩個開關來做為後兩段電流限定電阻並聯切換之用, 綜合以上的零件安裝需要, 使用一個較大的鋁盒來因應成為必 5

要是先求能熟悉 LM317 的特性, 實際實驗後發覺 LM317 真的很容易使用圖 7 限流電路的初步實驗 (2) LM317

7 要, 而因為加裝了風扇來加強冷卻, 鋁盒上就必需要開設有冷卻的對流孔, 以利風扇將內部的熱風吹送到盒體的外部, 這些對流孔的面積需對應風扇的送風面積, 以免造成風扇的背壓過高, 造成風量不足和過載圖 6 預計裝設電源供應器的鋁盒七實體作業 (1) LM317 限流電路的初步實驗由於是首次使用此顆穩壓 IC, 所以先粗略的安置零件, 不做細步的佈置規劃, 主要是先求能熟悉 LM317 的特性, 實際實驗後發覺 LM317 真的很容易使用圖 7 限流電路的初步實驗 (2) LM317 電壓調整電路的初步實驗接續限流電路的實驗緊接著實驗電壓調整電路, 由於對 LM317 的使用已較有經驗, 實驗速度亦增快不少, 但在過程中也發現 LM317 很容易被烙鐵加熱過久而熱破壞, 這是必需要很小心的, 不可以一直重複的以烙鐵長時間加熱 LM317 6

真是好辛苦的工程, 但看到成果也是讓人滿足的圖 8 完整電路實驗圖 9 電源供應器成品外觀圖 (2) 電源供應器成品測試此次的專題主要的功能之一為限流功能,

8 (3) 完整電路實驗完成初步的實驗後, 便可將全部的電路轉移到正式的 PCB 板上了, 由於在正式的 PCB 板要按裝全尺寸的散熱片, 板上空間顯的有點侷促, 必需要小心安排電路的走線, 為此, 電子零件的位置安排重來了不少次, 是一個意料之外的累人工作 ; 而鋁盒上不同種類的開孔作業也在這個時候展開, 在欠缺足夠工具的情況下, 方孔幾乎是用銼刀一個一個慢慢銼出來的, 真是好辛苦的工程, 但看到成果也是讓人滿足的圖 8 完整電路實驗圖 9 電源供應器成品外觀圖 (2) 電源供應器成品測試此次的專題主要的功能之一為限流功能, 所以電源供應器限流的能力就成為最後測試的重點項目, 經實際測試三段的限流分別為 0.26, 0.53 和 0.8 安培, 和設定值是一致的, 而輸出電壓亦可從 1.1V 調整至 31.1V, 測試結果完全達成目標 7

9 參結論利用 LM317 製作具有限流功能的電源供應器一 LM317 可調整電壓穩壓 IC 是很容易使用的, 就算是沒有經驗也很快就可以了解它的特性並且做出功能令人滿意的直流電源, 除此之外, 有關 LM317 的電路資料非常容易取得, 在網路上有很多人發展它的應用電路並且不吝於分享, 對學生的學習真是再友善不過二雖然 LM317 有容易使用和取得資料的優點, 但是相對的它的操作效率是較為不好的, 尤其是當輸入電壓和輸出電壓差距較大時, 我們可以發現輸入的功率都消耗在 LM317 的本體上, 所以如果要好好的利用 LM317 來建置電源供應器, 恐怕得要安置有多個輸入電壓以對應不同的輸出電壓, 減少跨於 LM317 的電壓, 以有助於操作效率的提升, 也許這可以成為另一個值得努力的專題三雖然這個專題的主體是電源供應器的電路功能, 但是在整個作品的建置過程中, 鋁盒的加工也讓人吃足苦頭, 花費的心力其實不小於電路的實驗和設計, 這也使得我了解到成就一個專題, 各個層面都是需要投注精力的, 否則在主觀認定不重要的小地方很有可能出現意想不到的難題而讓原本的計劃在陰溝裡翻船肆引註資料 On Semiconductor LM317, NCV317 datasheet Texas Instruments LM317 3-Terminal Adjustable Regulator datasheet 喬治查爾斯電子電路網 0~30V 電壓電流穩壓電源的供應器李志文陳世昌 (2007) 電子學 I( 初版 ) 臺北市 : 台科大圖書公司 8

ated Current( 耐電流 ): 1-3A( 安培 ) EQUIVALENT CICUIT DIAGAM 等效電路圖 Electrical Characteristics 電氣特性 Impedance 阻抗 DC esistance ated Current Part Number Ω±25

ated Current( 耐電流 ): 1-3A( 安培 ) EQUIVALENT CICUIT DIAGAM 等效電路圖 Electrical Characteristics 電氣特性 Impedance 阻抗 DC esistance ated Current Part Number Ω±25% 歐姆直流電阻耐電流產品料號 @ 1MHz Ω (Max.) 歐姆 ma (Max.) 15 系列