项目学习

5.1 基础知识

5.1.1 认识LM317集成电路

许多电路可以实现可调输出电压，其中较为简单的是使用LM117/LM127/LM317系列集成电路，这种集成电路具有如下一些特性：

●输出电压范围：1.2～37V。

●输出电流可达1.5A。

●完善的过电流、过热、输出短路等保护功能。

使用LM317系列集成电路设计稳压电源时，主要是根据输出电压、输出电流、稳压精度等要求，确定是否可以选用该集成电路以及选择合适的集成电路型号，再根据输出电压变化范围要求计算电路中可调电阻的取值，然后根据输入电压、工作电流，集成电路的耗散功率，采用类比的方式确定散热器。

图5-2所示是常用的LM317稳压集成电路的封装图及对应的引脚分布图，图中的INPUT是电源输入脚，OUTPUT是输出脚，ADJ是电源调整脚，它们的引脚序号分别是3、2和1。本项目使用TO-220封装的芯片，这款芯片在市场上很容易购买。

图5-3所示是LM317稳压集成电路的典型应用电路图，由图可见，虽然这种稳压集成电路具有连续可调节的功能，但其使用并不复杂， V _i 是输入电压，接前级整流滤波电路， V _o 是输出电压，供后级电路使用。LM317在输出端和调整端接入一个固定电阻和一个可调电阻，可以方便地更改输出电压。

图中， V _REF 是LM317内部的参考电压，该值在芯片制造时即已确定，按其数据手册规定，该值在1.2～1.3V之间均为合格，典型值为1.25V。电阻 R ₁ 和 R ₂ 的比值决定了输出电压，它们的关系是：

典型的 I _ADJ 值小于100μA，因此，只要 R ₂ 的取值不太大，就可以将此式中的后一项忽略，即认为

R ₂ 一般取值可以是数百Ω。

5.1.2 认识变压器

法拉第在1831年8月29日发明了一个“电感环”，称为“法拉第感应线圈”，实际上是世界上第一个变压器雏形，如图5-4所示。不过法拉第只是用它来示范电磁感应原理，并没有考虑过它可以有实际的用途。

变压器是利用电磁感应原理制成的静止用电器，由铁心（或磁心）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫一次线圈，其余的绕组叫二次线圈。图5-5所示是最简单的铁心变压器原理图，它由一个软磁材料做成的铁心及套在铁心上的两个匝数不等的线圈构成。

当变压器的一次线圈接在交流电源上时，在二次线圈产生感应电动势。变压器一、二次线圈电压有效值之比，等于其匝数比。进而得出：

U ₁ /U ₂ = N ₁ /N ₂

式中， U ₁ 是接入一次线圈的交流电压值； U ₂ 是二次线圈两端的电压值； N ₁ 是一次线圈匝数； N ₂ 是二次线圈匝数。

电子电路中常用的变压器类型很多，本项目使用的是图5-6所示的焊接式变压器，即该变压器的线圈引脚可以直接焊接在印制电路板上。从图5-6中可以看出，该变压器有红色和蓝色两个线圈，在红色线圈一端有两个引脚，它是一次线圈的两个接入端。蓝色线圈端有4个引脚，这个变压器有2个完全相同的二次线圈，两个线圈共4个接线端，通过这4个引脚接出。

5.2 原理分析

学生电源由电源板和电压测量板两个独立部分组成，电源板实现可调电源功能，电压测量板则实测输出电压值并显示出来。

5.2.1 电源电路分析

图5-7所示是电源板的电路图。图中，T1是变压器，这是一个带中心抽头的变压器，P1是接线端子，接入220V电源，经变压器T1变换后得到12V交流电压。经D1和D2整流后得到脉动直流电，经电容C1和C2滤波后得到平滑的直流电。集成电路U1的型号是LM317T，它与R1、R2及电位器W1共同组成电压调整电路。电容C3和C4是输出滤波电容，P3是输出接线端子。

U2是MC78L05CP集成电路，这是一个固定输出的稳压电路，输出电压固定为5V。P2用于和电压测量板连接，为电压测量板提供5V供电电压，同时将U1输出电压送入电压测量板。

5.2.2 电压测量电路分析

图5-8是电压测量电路的原理图，这是一个使用单片机STC15W408AS制作而成的电压表，图中LED1是一个4位LED数码管，数码管用来显示电压值。J1用来与电源电路板的P2相连，J1的2脚接入被测电压，由于U1的引脚最高输入电压不能超过其供电电压，因此通过电阻R9和R10分压后接入到芯片。D1是一个标称值为5.1V的稳压二极管，用来保护集成电路，避免输入电压意外升高时，集成电路输入端电压过高而损坏。

5.3 关联知识

5.3.1 面板机械图识读

本项目被安装在防水盒中，图5-9所示是面板设计图。

1）图中宽51.5mm、高19.4mm的矩形是面板上开的方形孔。

2）图中“2× ϕ 6.2”表示2个圆孔的直径均为6.2mm，这是用来安装两个接线端子的孔。

3）图中“4× ϕ 3.2”表示4个同心圆孔中的小孔直径均为3.2mm，锪孔表示一种加工方法，其作用是加工出一个沉孔，由于加工出的沉孔直径取决于钻头，所以这里没有标注同心圆中大孔的直径。这4个孔用来安装电压测量电路板。

4）“ ϕ 7”和其上方的“ ϕ 3”表示直径分别为7mm和3mm的两个孔，这是用来安装电位器的圆孔。

5）四个角上的同心圆是机壳购买来时就有的结构，不是需要加工的尺寸，所以不标注尺寸。

6）图中“59.18”“30.1”等尺寸由印制电路板上的孔位置决定，而印制电路板设计时主要考虑电子元器件布局、线路走线等电气因素，没有刻意考虑机械尺寸的取整。

以上所有表达形体的外形可以参考图5-10和图5-11所示的实物图来看。

5.3.2 认识防水等级

电子测量仪器的防水等级反映了仪器防潮和防尘的能力，特别是户外活动中，免不了处于高湿或多尘沙的恶劣环境中，仪器的密封和防水能力对于保证仪器的安全运转和寿命就至关重要。为此，国际上制订了IEC 529标准，规定防水等级如下。

0：没有保护；

1：水滴滴入到外壳无影响；

2：当外壳倾斜到15°时，水滴滴入到外壳无影响；

3：水或雨水从60°角落到外壳上无影响；

4：液体由任何方向泼到外壳没有影响；

5：用水冲洗无任何伤害；

6：可用于船舱内的环境；

7：可于短时间内耐浸水（1m）；

8：可于一定压力下长时间浸水。

例如，图5-12所示是某三防手机说明书的一部分，其中三防标准中的IP68就是防水等级说明，它表示该手机可在一定压力下长时间浸水而不损坏。

电子产品的防水方法有很多种，图5-13所示是工业界常用的防水盒的防水设计，在盒盖上有一个槽，该盒配套有防水胶条，将防水胶条嵌入槽中，安装时，盒子上的凸起与胶条压紧，即可避免水进入盒子内部。

5.3.3 认识防水接头

如果盒子需要接入电线，就不能完全封闭盒子，这时可以使用防水接头接入。图5-14所示是防水接头的外形，图5-15是防水接头拆开后的内部结构。

图5-16所示是防水接头的内部结构图，图5-15与图5-16相比没有配置垫片，其他部件都有，其中图5-15中的黑色部分是图5-16中的夹紧圈，其外部是夹紧爪。将电线穿入孔中，压紧迫紧螺母，即可将线材压紧，起到防水作用。不过，如果有多根线材，靠这样的方法并不能保证线材之间没有缝隙，所以要真正起到防水作用，通常还需要打上防水胶。本项目中仅是借用防水盒来安装电路，并没有防水要求，因此安装时就不打防水胶了。

5.3.4 认识散热器

功率器件在工作时通常会发热，以本项目中用到的LM317为例，当输入电压为15V，输出电压为3V时，LM317两端的电压为12V，如果此时工作电流为300mA，LM317的耗散功率达3.6W，该功率的绝大部分都以热量的形式散发出来，器件的温度不断上升，当温度达到一定程度时，器件就不能正常工作甚至被烧毁，因此，使用功率器件时通常必须加上散热器帮助器件进行散热。散热器是金属的，有较好的热传导性，功率器件与散热器紧密接触，将热量传导到散热器上，散热器通常有较大的表面积，可以更有效地将热量散发到周围环境中去。通常，同等条件下散热器越大，散热效果就越好。

小型散热器（或称散热片）由铝合金板料经冲压工艺及表面处理制成，它们有各种形状及尺寸供不同器件安装及不同功耗的器件选用。散热器的表面经过电泳涂漆或黑色阳极氧化处理，其目的是提高散热效率及绝缘性能。

散热器厂家对不同型号的散热器给出热阻值或给出有关曲线，并且给出在不同散热条件下的不同热阻值，可根据参数进行选用。但实际工作中，在要求不是很高的情况下，往往通过参考设计的方式根据经验来确定散热器。

图5-17所示是几种适用于TO-220封装器件的散热器，散热器上有螺纹孔，并且螺纹孔到底面的距离是固定的。而螺纹孔上方的长度则随型号不同而变化，长度越长，散热效果越好，因此，根据经验在初步选定散热器型号以后，如果实际使用中发觉散热效果尚不能满足要求，可以通过选择更长一些的型号，而不必修改印制电路板。当然，如果相差太远，那就必须重新设计了。