1

6-2

6-1 功能說明 本中功率低壓直流線性電源供給器係將交流三相 220V 經變壓器降壓為 25V 後

加以整流濾波成直流電源，經由電源調整電路後得到一可調範圍約 3V~28V 的直流電源輸出，輸出電流範圍為 0~2.5A，限流範圍約為 1.2A 至 2.4A，可做蓄電池充電器及一般維修用直流電源供應器。

6-2 動作要求 1. 電源開關 (SW) ON 時，LED1 亮；SW OFF 時，LED1 應滅。

2. SW ON 後，可變電阻 VR1 左轉至底，電壓輸出約為 3V，VR1 右轉，則輸出電壓漸增，VR1 右轉至底，則輸出電壓約在 27V 到 30V。

3. 輸出開路時，輸出電壓調至 24V，並將限流 SVR1 轉到最大電流，當接上負載

10Ω/100W 後，測試其輸出電壓不應於低 23V，即因負載變動之輸出電壓調整率不應大於±5%。

4. 輸出短路 1 分鐘後，解開短路，電路應能正常動作。

6-3 電路原理 供給器材表如表 6-1，整體電路圖如圖 6-1，組裝電路圖如圖 6-2 所示，圖 6-2

中虛線以外電路已固定於測試機台上，接線均完成，電路板連接器接腳依定義連結，

需由考生自行完成的部份僅限圖 6-2 中虛線以內電路，供給材料如表 6-2。

表 6-1 中功率低壓直流線性電源供給器：供給器材表

編號 名稱 規格 單位 數量 備註

1 電阻器 10Ω，100W 只 1 含引線 30cm 及香蕉插頭

中功率低壓直流線性電源供給器

6-3

Chapter 6

圖 6-1 中功率低壓直流線性電源供給器：整體電路

圖 6-2 中功率低壓直流線性電源供給器：組裝電路圖

6-4

表 6-２ 中功率低壓直流線性電源供給器供給材料表

編號 代碼 名稱 規格 單位 數量 備註

1 Q1 電晶體 TIP29C、B1 只 1 附散熱片及

螺絲螺帽

2 Q2 電晶體 2SD313、B17 只 1 附散熱片 及螺絲螺帽

3 Q3、Q4、Q5 電晶體 2N3055、TO-3 (附電晶體座及 B、E 及引線)

只 3

4 IC1 積體電路 µA723 只 1 附 IC 座

5 R1 電阻器 3.3KΩ，1/2W 只 1

6 R2 電阻器 150Ω、±5%、1/2W 只 1

7 R3 電阻器 30KΩ，1/2W 只 1

8 R4、R5、R6 電阻器 100Ω，1/4W 只 3

9 R7、R8、R9 電阻器 0.3Ω、±5%、1W 只 3

10 R10 電阻器 1KΩ，1/2W 只 1

11 R11 電阻器 3KΩ，1/2W 只 1

12 R12 電阻器 1KΩ，1/2W 只 1

13 R13 電阻器 1KΩ，1/2W 只 1

14 RSC 電阻器 0.5Ω/3W 只 1

15 VR1 可變電阻器 1KΩ、B 型、含旋鈕 只 1 已固定於機

座上 16 SVR1 可調電阻器 1KΩ、B/W 型 只 1

17 C1 電解電容器 1000µf/50V 只 1

18 C2 陶瓷電容器 500pf/50V 只 1

19 C3 電解電容器 10µf/50V 只 1

20 C4 陶瓷電容 0.1µF/50V 只 1

21 C5 電解電容器 47µF/50V 只 1

22 DB 整流二極體 3A/300V 只 6

23 ZD1 穩壓二極體 39V/0.5W 只 1

24 Tr(T1、T2、

T3) 變壓器 1Φ、220/25V、3A 只 3

已固定於機

座上

25 LED1 發光二極體 紅色，含固定套 只 1 已固定於機

座上

中功率低壓直流線性電源供給器

6-5

Chapter 6

編號 代碼 名稱 規格 單位 數量 備註

26 SW 搖頭開關 3P/250AC/6A 以上

，附 ON-OFF 標示牌 只 1

已固定於機

座上

27 FS 保險絲座 栓型，13ϕ 只 3 已固定於機

座上

28 保險絲 4A，22mm 慢斷型 只 3 已固定於機

座上

29 博士端子 紅色，4ϕ，含焊片 只 1 已固定於機

座上

30 博士端子 黑色，4ϕ，含焊片 只 1 已固定於機

座上

31 電路板連 接器

22 Pin，

3.96mm/pitch 只 1

已固定於機

座上

32 電源線 3C，6A，1.8m，含線扣，含 AC220V，3Φ 插頭

只 1 已固定於機

座上

33 機座 如機座圖，含底座橡皮墊 式 1 含已固定之

元件 34 裸線 0.3mmϕ 公尺 3

35 PVC 導線 #22，多蕊，紅，黑 公尺 各 1

36 PVC 導線 #18，多蕊，黃，棕 公尺 各 3

37 銲錫 68%,0.8mmϕ 公尺 3

38 萬用電路板 115mm×165mm，22pin，FRP 單面，IC 型

塊 1

39 透明方格紙 210mm×297 mm 張 2

40 熱縮套管 3ϕ，5ϕ，10ϕ，15ϕ 公分 各 15

41 束緊帶 白色，拉緊型 條 20

所謂電源供給器或供應器 (Power Supply)之功能係將台電公司供應的交流

(AC，alternating current)電源轉換成所需的直流 (DC，direct current)電源，具備恆定電壓輸出模式供應，且不隨時間與負載而變動。一般電源供應器可分為線性式 (linear)和切換式 (switching)電源供應器兩種。線性式調整器是傳統電源轉換器的設計方式，由於電晶體工作於線性區 (Linear region)而得名，簡單型的線性式電源供應器是由變壓器、二極體整流器和電容濾波器所組成，其系統方塊圖如圖 6-3 所示，包含 (1)變壓器 (transformer)：將交流電壓降低至所需的電壓值。(2)整流器 (rectifier)：讓交流電壓變成直流電壓。 (3)濾波器 (filter)：消除整流後脈動電壓的漣波。 (4)穩壓調節電路(voltage regulator)：得到更精準的直流電壓。而交換式電源供應器是 1970 年所發展

6-6

出來，應用於高頻場合，其工作頻率大部分是介於 20KHz~200KHz 之間。電路之開關元件，如電晶體 (BJT)或金氧半場效電晶體 (MOSFET)皆工作於飽和區或截止區，切換動作產生損失較低，即使輸入電源或負載電壓變化，仍可獲得甚高之效率。

圖 6-3 簡單型線性式電源供應器：系統方塊圖

本試題係屬於線性式電源供應器，具有電路簡單、穩定度高、暫態響應快、可

靠度高、漣波小、電磁干擾 (Electromagnetic interference，簡稱 EMI)小等多項優點。但其功率消耗很大，系統需要很大的散熱片，導致效率無法提昇；而低頻變壓器的

體積、重量與線性式調整器的輸出功率成正比，當輸出功率愈大，變壓電感所需的

體積與重量會更加龐大；一般要求整流後的電壓漣波較小時，輸出濾波電容器的電

容量與體積也相對增大。因此亦存在下列缺點：體積大 (因使用變壓器 )、重量重、轉換效率低 (約 30~50%)、成本高 (需散熱片與冷卻風扇 )、AC 輸入電壓範圍小，僅容許±10%的變動範圍。

線性電源供應器之電壓調整率 (Voltage Regulation，簡稱 V.R)定義如下：

no load full load

full load

V VV.R(%) 100%V

− −

−

−= ×

其中： no loadV − 為無載時之輸出電壓 full loadV − 為滿載時之輸出電壓

若滿載電壓與無載電壓相同，則 V.R(%)為 0，即為最佳狀態。V.R(%)=0 表示此電源供應器為理想電壓源，因為它的輸出電壓與自電源汲取的電流無關，即與所加

負載無關。對大多數的電源來說，輸出電壓將會因為汲取電流的增加而下降。電壓

降低的越少，V.R.(%)越低，電壓源的工作狀態就越好。

本試題為中功率低壓直流線性電源供給器，電路之系統方塊圖如圖 6-4 所示，包含 (1)輸入 (交流電 )與變壓器、 (2)整流器、 (3)功率電晶體 (Power Bipolar Junction Transistor)電路、(4)基極控制電路、(5)回授和限流電路與 (6)輸出 (直流電 )等六部份。系統詳細之架構圖如圖 6-5 所示，輸入端為 60Hz 之交流電源，先利用變壓器將交流電壓降低準位，再使用整流器將之轉換成固定大小的直流電壓 Vd 送至功率電晶體；

中功率低壓直流線性電源供給器

6-7

Chapter 6

輸出電壓經 Ra 和 Rb 回授至誤差放大器，輸出誤差信號送至控制電路，以控制基極電流使功率電晶體 Q1 工作於線性區，在輸出端即得到可調整大小之直流電壓 Vo，同時具備限制電流之功效，以進行短路保護。

圖 6-4 中功率低壓直流線性電源供給器：系統方塊圖

圖 6-5 中功率低壓直流線性電源供給器：架構圖

在中功率低壓直流線性電源供給器中，由 Ra 和 Rb 形成之分壓電路，從 Vo 端取得如下所示之回授電壓 V－，和參考電壓 o,refV 比較後之誤差信號以控制 IB，改變 IC，

藉以調整 VCE。

bo

a b

RV VR R−

=+

電晶體 Q1 的動作就如同可變電阻一樣，用來吸收整流後的濾波電壓 Vd 與輸出電壓 Vo 間的電壓差。電晶體 C-E 間電壓 VCE、Vd 和 Vo 之關係如下所示，因 Vd 為固

6-8

定之直流電壓，當 VCE 受 IB 控制而增加時，Vo 隨之減少；反之，當 VCE 受 IB 控制而減少時，Vo 隨之增加；故在輸出得到大小可調整之直流電壓。

CE d o o d CEV V V V V V= − ⇒ = −

以下將就試題電路進一步詳述系統架構部份之動作原理。

6-3-1 輸入(交流電)與變壓器

輸入 (交流電 )與變壓器電路如圖 6-6，由三相電源 (220V，60Hz)、3 個搖頭開關

開關 (SW)、3 個保險絲 (FS)、變壓器 (Tr)所組成。其中三相變壓器 Tr 係由 3 個單相變壓器 T1、T2、T3 連接而成，一次側和二次側電壓比為 220/25V，通常一次側使用 Δ接，二次側使用 Y 接，若以三用電表量測電壓，一次側電壓有效值約為 220V，二次側線電壓有效值約為 25 3V。當開關 SW 導通時，表示現在為供電狀態，金手指 P16、

P18 和 P20 即為三相交流電壓輸入，並利用保險絲進行穩態之過電流保護。

圖 6-6 輸入 (交流電 )與變壓器電路

6-3-2 整流器電路

整流器電路由三相交流電源、整流二極體 (DB)、電容 (C1、C5)、電阻 (R1、R13)、發光二極體 (LED1)和稽納二極體 (ZD1)等元件組成，如圖 6-7 所示。其中三相電源由電路板連接器 (金手指 )之 P16、P18、P20 輸入至三相橋式整流器，三相橋式整流器包含 6 個整流二極體 D1~D6(即 DB)，連接方式如圖 6-8 所示，利用三相橋式整流器將交流電源進行整流，並加入濾波電容 C1，在電容兩端得到固定之直流輸出，並由限流電阻 R1 和發光二極體 LED1 組成電源指示燈電路，當 LED1 發亮即表示三相橋式整流器輸出如下式所示之直流電壓 Vd。

d mV 3V 3 (25 2) 61.24V= = × =

其中：Vm 為交流輸入相電壓之最大值

Vd 經限流電阻 R13、濾波電容 C5 和稽納二極體 ZD1 所組成之電路，從 ZD1 兩端取得約 39V 崩潰電壓送至 IC1(μA723)第 12 腳，此電壓即是 IC1 正常工作所需之電源。

中功率低壓直流線性電源供給器

6-9

Chapter 6

圖 6-7 整流器電路

圖 6-8 三相橋式整流器電路

6-3-3 回授和限流電路 回授和限流電路如圖 6-9 所示，由輸出端直流電壓 oV (金手指 P5 和 P2 之間 )、

濾波穩壓電容 (C3)、電阻 (R10、R11、R12、Rsc)和可調電阻器 (SVR1)等元件組成。其中輸出電壓回授電路由輸出直流電壓 Vo、電阻 (R11、R12)所組成，Vo 經電阻 R11、R12 分壓得到 VIN－，送至 IC1 第 4 腳 (即 μA723 中誤差放大器之反相輸入端 )，關係如下式。

12IN o

11 12

RV VR R−

=+

輸出限流電路由電阻 (R10、Rsc)和可調電阻器 (SVR1)等元件組成，R10 和 SVR1串聯後再與 Rsc 並聯，由 SVR1 調整端接至 IC1 第 2 腳 (即 μA723 之電流限制端 )，改變 SVR1 可設定限流大小；輸出電流經由 IC1 第 3 腳 (即 μA723 之電流感測端 )送到基極控制電路，以偵測輸出大小是否超過設定值，必要時須進行過電流保護。

6-10

圖 6-9 回授和限流電路

6-3-4 基極控制電路

如圖 6-10 所示，基極控制電路由 IC1(μA723)、濾波電容 (C2、C4)、電阻 (R2)和可變電阻器 (VR1)等元件組成。 IC1 為一精準的電壓調整器 (voltage regulator)，輸入電壓可高達 40V，輸出電壓可調範圍為 2~37V，同時具備電流限制之能力，為基極控制電路的核心元件，其接腳如圖 6-11 所示。

圖 6-10 基極控制電路

中功率低壓直流線性電源供給器

6-11

Chapter 6

圖 6-11 IC1 之接腳圖

IC1 內部方塊圖如圖 6-12 所示，內部包含具溫度補償 (temperature-compensated)之參考電壓放大器 (reference-voltage amplifier，即 Ref Amp)、誤差放大器 (error amplifier，即 Error Amp)、150-mA 輸出電晶體 (Series Pass Transistor)和可調整輸出的電流限制器 (adjustable-output current limiter)，其中第 6 腳參考電壓 VREF 變化範圍為 6.8~7.5V，典型值為 7.15V；誤差放大器之輸入為第 4、5 腳，輸出為第 13 腳；利用誤差放大器之輸出信號來調整第 10 腳的輸出，以達到可調直流電壓輸出之目的。另外第 3 腳為電流感測端，第 2 腳為電流限制端，當偵測到電流超過設定值時，利用電流限制器將輸出設定為零，以產生保護作用。

圖 6-12 IC1 內部方塊圖

本試題利用電阻 (R2)和可變電阻器 (VR1)固定端組成之電路接至 IC1 第 6 腳；利用電阻 (R2)和可變電阻器 (VR1)調整端組成之電路接至 IC1 第 5 腳 (即 μA723 中誤差放大器之同相輸入端 )得到 VIN＋，此信號隨 VR1 之變化而改變，並經濾波電容 C4 接

6-12

至地；Vo 經電阻 R11、R12 分壓得到 VIN－，送至 IC1 第 4 腳 (即 μA723 中誤差放大器之反相輸入端)並經濾波電容 C2 送至 IC1 第 13 腳。調整可變電阻器(VR1)時，VIN＋改變，和回授之 VIN－比較，以調整第 10 腳的輸出。當 VR1 調至最小 (左轉到底 )時，第 5 腳電壓 Vp5 達到最小，第 10 腳電壓 10Vp 達到最小；當 VR1 調至最大 (右轉到底 )

時，第 5 腳電壓 Vp5 達到最大，第 10 腳電壓 Vp10 亦達到最大。Vp10 將控制功率電晶體 Q3、Q4 和 Q5 之基極電流 IB，使其工作於線性區，不同之 Vp10 電壓，將驅使功率電晶體產生不同之基極電流 IB 和集 -射極電壓 VCE，輸出端電壓 Vo 亦隨之改變。由可調電阻器 SVR1 調整輸出電流最大值，經 IC1 第 2 腳設定之。當輸出短路時，IC1 第 3 腳感測到輸出電流超過設定電流，遂啟動短路保護之功能。

6-3-5 功率電晶體電路

功率電晶體電路如圖 6-13 所示，由電阻 (R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9)和電晶體 (Q1、Q2、Q3、Q4、Q5)等元件組成，其中 Q1 和 Q2 組成達靈頓 (Darlington)電路，具備放大電流之功效。從 IC1(μA723)第 10 腳輸出信號經達靈頓電路放大後送至功率電晶體 Q3、Q4 和 Q5 之基極。

圖 6-13 功率電晶體電路

本試題使用三個功率電晶體以增加輸出電流，電晶體工作於線性區，電流關係

如下式所示。

C B

E B C B

I II I I ( 1)I

ββ

== + = +

其中： IB 為電晶體之基極電流 IC 為電晶體之集極電流

中功率低壓直流線性電源供給器

6-13

Chapter 6

IE 為電晶體之射極電流 β 為電晶體之共射極電流增益 (common-emitter current gain)

假設達靈頓電路中兩個電晶體之 β 值皆相等，利用上述電流關係，推導電流關

係如下，由此可知達靈頓輸出電流 IE2 約為輸入電流 IB1 之 2β 倍，故可利用此電路將

IC1 第 10 腳信號放大後，同時控制 Q3、Q4 和 Q5 三顆功率電晶體。

E1 B1 B2I ( 1)I Iβ= + =

E2 B22

B1 B1

I ( 1)I

( 1)( 1)I I

β

β β β

= +

= + + ≈

假設 Q3、Q4 和 Q5 之 β 值皆相等，當測試機台上之可變電阻器 VR1 向左側旋轉 (調小 )時，μA723 第 10 腳輸出電壓 Vp10 減少，Q3~Q5 的基極電流 IB 下降，集極電流 IC 下降，集 -射極間之電壓 VCE 隨之增加，則 Vo 降低；反之，當可變電阻器 VR1變大時，μA723 第 10 腳輸出電壓 Vp10 增加，Q3~Q5 的基極電流 IB 上升，集極電流IC 上升，集 -射極間之電壓 VCE 隨之減少，則 Vo 增加。Vo、VCE 和 Vd 間之關係式如下所示，因 Vd 為三相橋式整流器輸出，電壓大小固定，由下式可知：當 VCE 增加則Vo 減少，當 VCE 減少則 Vo 增加，兩者為反比關係。

o1 d CE 7 E3V V V R I= − −

o o1 SC 1 10 E3

d CE 7 E3 SC 1 10 E3

d CE 7 SC 1 10 E3

d CE 7 SC E3

d CE E3

d CE E d CE

V V [R //(SVR R )](3I )V V R I [R //(SVR R )](3I )V V {R 3[R //(SVR R )]}IV V [R 3(R )]IV V [0.3 3 0.5)]IV V 1.8I V V

= − += − − − +

= − − + +

≈ − − += − − + ×

= − − ≈ −

6-3-6 輸出(直流電)

輸出端可參考圖 6-9 之回授和限流電路，即金手指 P5 和 P2 之間，兩端加入濾波電容 C3 以穩定輸出電壓 oV ，使用 10Ω/100W 之電阻器當作負載。

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