做了个输入继电器3档自动切换的0-30V_0-5A线性稳压电源

微醉

★前言

　　电源的制作已经有一段时间了，因为现在基本没有整块的时间玩这些，画板、搭焊、整面板前后拖了好几个月。面板的打样在5月份曾发过帖《捷配打样的线性电源面板到手了》https://www.mydigit.cn/thread-520707-1-1.html，原理图也在该帖的回帖中有。因为制作过程没留下太多的照片，更没时间整理文字，今天不经意翻到了几张照片，略作整理发帖留念。

　　手头原有个跟了我20多年的1.25-20V/1A线性电源，调整管用的是铁帽的三端可调稳压集成电路CW317K，变压器是0-15-18V主输出、14.5V辅助输出，30W功率的样子，辅助电源为一个单运放LM311控制一个继电器切换变压器输出档位以降低调整管的功耗。反正就是一板一眼的传统串联线性稳压电路，没有电流控制和过流保护。输出电压的指示也是一个简陋的非线性小指针表，只能看个大概。所以这电源现在是几乎不会用到了，几次想扔，但看着它的外壳是个方正厚实的铁壳，总想着可能啥时候会用得着，想着想着就十多年过去了，其实也作不得啥用，可能还是整个电源而已，有一搭没一搭的就画画原理图，凑着手头有的元件为主设计了一版PCB，于是有了现在这个0-30V/0-5A线性稳压电源。

★设计制板



　　这套电路也许在多数大能眼里太小儿科，继而充满了各种各样的质疑。一来本人水平只限于此；二来这个电源不为追求各式高大上而作，只是尽可能利用手头现成元件、构件，2个继电器都是从老的UPS－500板子上拆的，所以封装挺特别。电源定位在能用，并实现恒压恒流和0起调，电路力求简单、可靠，同时兼顾一定的功耗控制和效率。

　　如果是玩单片机的大神完全是可以把输入切换、调压、调流、输出电压电流显示编程一块芯片搞定，可是我不会呀。

　　下面简单说一下电路组成吧。

　　输出调整管电路：传统的三极管串联稳压，调整管用2个TIP3055并联，Q3（TIP41C）作推动管。双运放IC1（LM358）其中运放A用于电压采样比较后控制稳压调整。运放B用于电流采样比较后并联到推动管Q3基极进行恒流控制，两调整管发射极的0.1Ω匀流电阻R1、R2兼电流采样电阻。由于恒流控制输出端仅在输出电流大于等于设定值时才会输出低电位以拉低Q3基极电压，使输出电压下降从而减低输出电流，所以我将恒流指示二极管直接串联在恒流控制输出端是可行的。

　　辅助供电和基准电压：电压、电流控制电路双运放采用±双电源供电，由一组双10V独立电源提供，由于供电电流很小，直接使用了稳压二极管稳压。原理图中标注的两稳压管为9.1V，焊接时实际使用了7.5V的，这个电压值有一定来去不要紧，只要在运放的标称工作电压内、并确保运放输出低电位时电压低于Q1、Q2、Q3基极压降+D5、D7、LED1压降总和，以实现输出电压、电流的从0起调，也就是说辅助电源在±5V以上控制电路就可稳定工作了。

　　IC4（TL431）提供2.5V基准电压（以辅助电源中点为0端），一路经R5、RP2、RP1到IC1③脚作为调压基准；另一路经R10、RP4、RP3到IC1⑤脚作为调流基准。

　　辅助供电和基准电压0端采用悬地接法，与主电源输出正极端相连，使控制电路不受输出电压限制，又能可靠保证电压、电流的从0起调。这种接法在现在的恒压恒流线性电源中常用，也方便调整管更换成MOS管。

　　电压、电流采样和调整：电压采样是通过RP1的一端和R5、RP2形成主电源输出负端与基准2.5V（以辅助电源中点为0端）间压差的分压获得，分压比例决定了输出电压的大小，当RP1滑臂在最下端（与输出负端短接）时就相当于把输出负端通过一个10K的电阻与电压比较器IC1之A的同相端直连，由于反相端即基准的0端是与主电源输出正端相连的，这时电源就会稳定在0V输出。当RP1向上调节时，主电源输出负端与RP1滑臂间阻值增大，而滑臂到IC1③脚（运放A的同相端）虽有几K阻值，但运放偏置电流极小，可看作滑臂端与IC1③脚等电位，也即同主电源输出正端等电位，所以RP1滑臂到主电源负端的阻值（这里指定为Rout）就是电压采样的上拉电阻阻值，而R5+RP2就是电压采样的下拉电阻，下接电阻两端电压是恒定的2.5V，那么主电源输出电压Vout=2.5V×Rout÷（R5+RP2）。
　
　　电流的采样则是将2个功率管输出电流在R1、R2产生的压降，经R7、R8合并为平均值后送入IC1⑥脚（运放B的反相端），与⑤脚的电流基准电压值比较后控制调整管输出。电流基准则是由2.5V（以辅助电源中点为0端）通过R10、RP4、RP3分压获得，分压的下端点又通过串接在辅助电源负电压端和0端间的R11、R12分压形成几十mV的微负压（以辅助电源中点为0端），防止运放失调后恒流值无法从0起调。

　　一些坛友可能已发现调压电位器RP1、调流电位器RP3的接法与常见的控制电路不同，原因就是为了防止电位器失灵时输出电压失控上冲，具体分析可浏览我的帖子《非数控稳压电源输出电压、电流采样设计改进电路实验》https://www.mydigit.cn/thread-462490-1-1.html。本次设计使用也算是对当初实验的再次验证吧，经几个电源的使用，从目前看这接法还是挺可靠的，再没出现过电位器接触不良而输出电压高跳现象，当然这接法会牺牲掉一定的调节线性度，这种影响在运放偏置电流足够小就几乎感觉不到。

　　输入切换电路：也即变压器交流输出电压的切换，思路同大多数的线性电源，以一定的输出电压为阀值，触发继电器的吸合来变换变压器抽头到整流电源的连接。为简化电路、减少变压器抽头数量，我利用了继电器的常闭触点，当2个继电器都未吸合时为变压器较小电压的半边绕组接入（按原理图中就是~18－28V绕组，此时整流输入为AC10V），第一个继电器吸合时为变压器较大电压的半边绕组接入（按原理图中就是~0－18V绕组，此时整流输入为AC18V），而2个继电器都吸合时为全绕组接入（按原理图中就是~0－28V绕组，此时整流输入为AC28V）。这样利用变压器的2个绕组不同压差，仅用2个继电器、变压器只需2个绕组就实现了3档输入切换。

　　而切换阀值电压的采样和继电器的控制为简化采用了可调电压源TL431的采样欠压接近截止、采样过压饱和导通的类似于比较器原理，按原理图中切换采样电阻阻值当输出电压上升至9V时IC2饱和导通，K1吸合切换至第二档，当输出电压进一步上升至20V时IC3也进入导通，K2吸合切换至第三档。

　　采用这种方式要注意3点：一是继电器工作电流不能太大，431的稳压输出电流最大为100mA，我用的24V继电器吸合电流只有10多mA，有足够的安全性；二是431饱和导通时仍会有近2V的压降，是高于通常的三极管饱压降的，在选用继电器工作电压和匹配供电电压时要考虑这个因素；三是继电器供电电压不能超过431的极限电压。我的电路中为了省事，直接采用了变压器主绕组的中间抽头半桥整流后供电，这电压会随继电器切换而变化，最低档时仅有15V左右，刚够所用的继电器的实测吸合电压，如果达不到使用继电器的吸合电压，可选用12V继电器，并加简单稳压电路防止过电压烧坏继电器。或者直接采用合适电压值的独立供电。

　　数显表头供电：继电器供电电压同时用于输出电压电流表的供电，因为我使用的数码管电压电流表供电必须同输出电压同地端，无法使用调整控制电路的辅助电源供电。当然也可以利用主电源整流输出电压作为表头供电，但要求表头电源耐压能达到40V才行，因为主电源切换到最高档时稳压前的电压将达到36V左右，一些耐压30V的表头就得加一级预降压电路。

　　散热风扇控制电路：这个不需要考虑太高的精度要求，就是最简单的温敏电阻加三极管，散热风扇通常电流不大，直接使用了辅助电源的负电压供电。

　　我这个电源实际上没接风扇，内部实在没空间了，而且调整管、主整流桥等发热器件都是直接以机壳为散热体，风扇作用有限。实际使用中只能通过控制不要过长时间处于大压差大电流输出状态，并经常摸一下机壳，烫手就停用。其实我发现铁的热传导率是高于铝的，仅次于铜，实际使用时这个机壳在5A恒流输出短路时可以扛10分钟以上，基本算是达到了50W的散热功率，有点出乎意料的。

★打样安装

　　PCB设计时第一版是10×9.6 c㎡尺寸的。


　　打样后发现要装入这个现成的机壳大了点，而且贴片原件都设计在了顶面，焊装不方便。便又设计了现在使用的这版8×6 c㎡尺寸的，去掉了10000uF/50V的大滤波电容，贴片元件全部放到了底面。



　　因为免费打样尺寸有余地，下单时拼了5块坛友“8139”的杰作“TMI3108高效同步降压模块”小板（感兴趣的可移步大师精华帖《成本不到1元的TMI3108高效同步降压模块应用：改造一个费电的时钟温湿度计》https://www.mydigit.cn/thread-512822-1-1.html仔细研阅）。打样PCB的顶、底截图如下：





　　本人没有铁板烧，虽有风枪却连锡膏都没有，焊装全部烙铁手工，水平一般，焊完也没拍几张照，只有完成装机后的照片，因为机壳太过紧凑，安装不易，就没再拆了补照片。

　　由于本来一个合适的变压器有一绕组引线被我扯断，现在使用的次级电压穿戴时最高只有26V，满载时输出无法达到30V了。而且变压器没有辅助电源绕组，塞了个小变压器作为辅助电源草草了事。







　　板子设计调压、调流电位器原来是可以用3296X（长柄侧调）的小型多圈电位器直接焊装的，考虑这种电位器经常调节使用并不耐用，而且30圈的行程实在太磨叽，机壳内距离够，所以还是用了大的多圈电位器。照片中板子底面上2根直焊的引线就是外接的辅助电源交流输入，因为没有双电源，并接两AC端半波整提供正负辅助电源。

　　2个大功率调整管是紧贴机壳底板安装，主电源整流桥则紧贴后面板，算是充分利用机壳散热吧。


　　这变压器大概150W左右，尺寸相对这个机壳有点大了，甚至连到正面电源开关的220V交流输入引线都只能穿过变压器铁芯一侧的固定孔，实在没空间了。高度高出顶盖1mm的样子，所以盖子是硬压固定，反正变压器也压不坏。








　　机壳原来的电源也没照片了，展示一下拆下来的部件吧：






　　一个差点儿导致制作失败的小插曲：
　　焊好板子装机前通电调试时居然输入切换失败，反复查验无果，后测量431电压异常，一度以为是所购元件是假货，后来核对PCB走线是否失误时发现所用封装不对，想不到贴片的431还有不同封装（现在的设计图我已经改了常规封装了，当初的错误封装也找不到是哪个了，没截图留证），所以PCB设计封装选定是个最容易出错的地方，尤其是一些老器件利用，需要反复比对。现在装机的板子我并没重新打样，直接把431引脚向丝印面压了一点，把丝印面朝下焊上将就了，调换好3个431立马就“天下太平”了。

　　装完通电简单试了几下没啥其他异常，没有负载仪，没进行稳定度、纹波等系统测试，虽有示波器，但家里强电不干净，干扰太多，探头一碰线就杂波很多，哪怕关机状态，水平有限，不折腾了。









　　本帖所涉原理图、PCB文件依托嘉立创EDA标准版设计，整体工程文件已上传百度网盘，内包含原理图、大尺寸的PCB（分UPS拆机继电器封装和标准继电器封装2个版本）、小尺寸PCB（分单板、带5块TMI3108充电升压小板2个版本），有需要的可复制百度网盘链接免费下载参考。


　　经坛友phjzg指正，立创文件中与我最初打样的板子略有调整的，因为制作不一段时间了，忘了这事了。主要是将电流采样的低电位端（R12与主电源正输出端）脱开了辅助电源0V布线，直接飞线到主电源两功率管发射极电阻R1、R2输出端，原因是防止输出接线接触电阻、铺铜等阻抗影响电流采样。

　　百度网盘分享的文件：微醉输入3档自动切换0-30V_0-5A线性稳压电源嘉立创标准版.zip
　　链接: https://pan.baidu.com/s/1i2hucEYRYuP5KzR_4kfTcA?pwd=gp3b 提取码: gp3b

phjzg

微醉 发表于 2025-8-4 07:07
标准版导入专业版后一由于封装库的改变会出现各种问题，我碰到过好多次，所以除了一些非常简单的电路，我 ...

你的文件导入专业版后，丝印上是有些问题，（用标准版打开，丝印位置是准的）
R12在制作时需要进行飞线处理，你的介绍中也没有说明，这可是个大雷。
如果有小白依文件打板，这个电阻是电流采样用的。通电调试时要搞不明白了。
通过立创标准版导出的打板文件，DFM检查，存在一些问题，有些可以忽略，有些要注意看一下。
下面是用华秋DFM进行检查的报告：

8139

老兄手艺精湛，非常瓷实的一个电源，点赞。就是被431坑了一下，没想到啊

曾经-

有没有避免电压临界点继电器猛跳的问题

wjqok

败笔太多，许多经验缺失，还欠鞭打。想听听我一眼就看出来的很多大问题吗？

tntll

不敢看，只敢顶了~~

ba21

高手在人间。

微醉

8139 发表于 2025-8-2 22:18
老兄手艺精湛，非常瓷实的一个电源，点赞。就是被431坑了一下，没想到啊 ...

大圣谬赞，与您还是有相当差距的。
那４３１也不知是怎么就选错了封装，可能也是个人公开库中的特殊用法，也没碰到过有反向封装的431呀。

微醉

曾经- 发表于 2025-8-2 22:43
有没有避免电压临界点继电器猛跳的问题

有考虑过这个问题，经实际试验下来偶有调到临界电压时跳几下的问题，基本不会一直跳。分析原因可能有两：一是可能431跃变没比较器或运放灵敏，在使用运放进行的切换控制的电路我是碰到过的，尤其使用多圈电位器时；二是串联稳压电路存在微小的电压调整率跟随，稳压前的电压切换后稳压输出会略跟随向上（或向下）变化一点，当然可能也就是百分之零点几，但足以进一步稳住切换电路。

微醉

wjqok 发表于 2025-8-2 22:46
败笔太多，许多经验缺失，还欠鞭打。想听听我一眼就看出来的很多大问题吗？ ...

都谈不上经验，所以缺失是肯定的。我那年代做个电源也就是整个三极管基极控制一下就算稳压电源了，小功率的几乎也就是三端集成块用用，现在能摸索着控制点电流了已经挺高兴了。让大家见笑了。
如大神肯不吝赐教，欢迎指正。

大熊SD

感谢楼主分享，0-30V_0-5A线性稳压电源方案

msz09861

成功有乐趣啊！

b26359

串联稳压经典线性电源，具备了CV、CC功能。使用工频变压器，输出纹波不会差的。
431封装引脚排列问题，我也曾经上过当，后来分别查阅了几家不同公司的数据手册，确实是这样，各自为政，不统一的。

fqxxqwy

有没有考虑用大功率三档开关，可以简单省事，还不怕继电器万一哪天粘连？

tongzijun

厚积薄发，精工制作，必出精品。

phjzg

微醉 发表于 2025-8-3 08:47
有考虑过这个问题，经实际试验下来偶有调到临界电压时跳几下的问题，基本不会一直跳。分析原因可能有两： ...

431工作在开环状态，相当于一个比较器。商品电源中，继电器切换都是用的比较器或运放，但都是加了回差（适当的正反馈），那样电压在临界状态，不会产生继电器跳上跳下的情况。

431 SOT-23封装的，TI公司的和国产的基本相反， TI公司的432又和大部分国产的相同。替换的话，还是要仔细分辨，https://blog.51cto.com/u_15830484/5761535
https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1220903-1-1.html   这二个贴子，都提到431封装管脚不同的问题。

kkdkj

攒机辛苦了，加分　加分　

微醉

b26359 发表于 2025-8-3 09:49
串联稳压经典线性电源，具备了CV、CC功能。使用工频变压器，输出纹波不会差的。
431封装引脚排列问题，我也 ...

这确实意外，之前只会反复确认三极管的封装，没想到431会有不同，看来得养成备料时不管什么元件先测试一遍的习惯。

微醉

fqxxqwy 发表于 2025-8-3 11:51
有没有考虑用大功率三档开关，可以简单省事，还不怕继电器万一哪天粘连？ ...

我在老家用的一个线性电源就是手动切换的，其实用用也没觉得不方便。至于粘连那就考验继电器了，老的UPS电源上的继电器还是比较可靠的，即使粘连了也不会出事，就是不能切换而已。

微醉

tongzijun 发表于 2025-8-3 13:12
厚积薄发，精工制作，必出精品。

这电源实在算不得精品，应该算是实现恒压、恒流并0V起调的最简电路了，能省的几乎都省了。

微醉

phjzg 发表于 2025-8-3 13:17
431工作在开环状态，相当于一个比较器。商品电源中，继电器切换都是用的比较器或运放，但都是加了回差（适 ...

还真是。主要以前没折腾过贴片的431，也是我平时博览各种网站不够，别人踩的坑便又让我着了道。