可調高壓電源 膽機 DIY -- 陳友祥 中無通訊第113期

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                                                                            本文原刋載於 中無通訊第113期2026年1月號

                                                                  可調高壓電源  膽機 DIY
                                                                                         陳友祥

       三端可調線性穩壓LM317源出NS "National Semiconductor"，美國國家半導體(利訊半導體)，1976年產品，至今仍然為人樂用，既能做穩壓，亦可作限流，出貨分三個等級，LM117、217、317，基本規格相同，最大輸出1.5A，LM117屬最高規格，能工作於惡劣環境，等效結構見(圖一)，IC工作電源，取自3~2腳電壓降，外接兩支電阻調整輸出電壓，規格中有個最少負載電流(Minimum Load Current) 3.5~5mA，是IC需要的最少工作電流，扣除1.25V基準電壓，3~2腳電壓降需要3V，最高抵受37V(LM317HV 57V)，封裝有龜殼TO3(圖二)、骨牌TO220、平面封裝SMD.小型的LM317L (TO92)，輸出電流只100mA。



圖一: LM317 內部等效結構圖與外接電阻        


圖二: TO3封裝(照片取自網路)

       電源線路參考自NS應用資料AN7335 (Application Notes)，LM317調壓及計算公式見(圖三)，通過改變VR阻值，調整輸出電壓，R2廠方建議240Ω，有寬容度，線性穩壓器(Linear Voltage Regulator)，有如一支受控可變電阻，串聯於電源與負載中間，負載電流需求大，電阻變小，負載電流減少，電阻增大，保持輸出電壓不變，LM317只能抵受37V，可調電源等效電路見(圖四)，IC1串接於TR1射極至輸出端，齊納二極管ZD1令基極保持6.2V，IC1工作於約5V，這支317可變射極電阻，控制著TR1電流變化，達成穩壓功能，TR1承擔餘下電壓降，耗散功率令晶體管發熱，需要加上散熱器，晶體管直流增益與穩定度成正比，建議採用達靈頓管，集電極串上R7，電流增大時分擔部份功率，避免TR1過熱，使用東芝TTD1409B，喜他外殼絕緣，不怕散熱器漏電，省了雲母片，缺點是熱阻較大，還有很多晶體管可以選擇，耐壓按需要，不一定要400V，電流增益hFE100以上，常見編號見(表一)，亦可使用兩個單管，接成達靈頓放大器，別忘加上基極分流電阻及保護二極管，以策安全，若要增大輸出電流，主要考慮晶體管可承收功率及散熱，或採用多個高壓管並聯，並要考慮IC1散熱。



圖三：LM317 計算公式        


圖四：可調高壓電源等效電路

       設計一個調壓器，參考(圖四)，首先跟據輸出電壓、電流、變量，決定輸入電壓，按輸出要求300~350V/50 mA，調壓器降壓15V，輸入電壓最少350V + 15V = 365V，變量50V，輸出最低300V時，高壓管要承受365V - 300V - 5V = 60V，峰值功率60V x 50mA = 3W，加串一支R7分擔功率，避免高壓管過熱，若要加大變量，主要考慮輸出調至最低時，高壓管處於較大電壓降，算好負荷功率，做好散熱，當然，提倡節能的今天，儘可能降低輸入電壓，又能獲得穩定輸出，更為理想。




圖五：可調高壓電源線路圖


表一：高壓達靈頓管，汽車工業常用 350 ~ 400V

       電源供電：用了四個 100u 組成四倍壓整流 ( 圖六 )，通過電容充放電，電壓疊加，倍壓整流內阻高，輸出電流有限，增加電容量，可加大電流，第一個電容 C7 容量加倍，有利增大電流輸出，串了電容器，即使輸出端短路，不致發生太大災情，使用隔離變壓器避免觸電，電源是 120V 60Hz，四倍壓約是 120 x 4 x 1.4 = 672V，當輸出 100mA 時，電壓下降至 440V，亦能使用兩倍壓、三倍壓，分別可取得 160V、310V、460V、610V，用作試驗十分靈活，加了洩放電阻 470K，關電後徐徐放電，兩倍取自 C6，四倍取自 C4 + C6 ，三倍取自 C5 + C7 ( 留意負端不同 2x 4x )，一般三倍用得較多，若用 220V 兩倍已是 600V，稍為高一點，第一隻電容耐壓可以是電源峰值，第二隻應是兩倍峰值 630V。


圖六：四倍壓整流電路圖，圖中標出電壓為實測空載數值

       全機用 0.1 吋孔距 FR4 沖孔板製作，整機見 ( 圖七、八 )，佈線見( 圖九 ) R2 C2 C3 貼近 LM317，負電輸入先到 C2 C3 交點，再從交點引出，正電經 R7 引入，易發熱電阻 R1、R3、R6、R7，安裝時勿緊貼底板，升起少許方便散熱，裝製膽機很多時會發覺，電阻往往過熱變色，實測過程，電阻承收功率與計算相等，為何工作於高壓時會較熱，有待各位研究，升起或垂直放置利於散熱，又或採用串、並聯，分散功率，見 R3a..R6a..，既是分散功率，亦方便更改阻值，使用塗上防火塗層 ( Flameproof  Coating ) 的防火電阻，可避免起火，輸出線由 C1 兩端引出，LM317 承受功率 5V x 50 mA = 0.25 W，不必使用散熱器，VR1 使用 10K 可變，功率半瓦以上，調整範圍約 40V，要增大調整範圍，可改用 20K 或 50K，缺點是變化稍快，不利微調，注意計算承受功率，建議使用金屬膜或線繞可變，炭膜經常會在接點產生火花，燒穿炭膜，為保安全，並聯一支電阻，VR 斷開仍有電阻接地，一般金屬膜微調 ( Trim - Pot ) 大多是 0.5W，留意產品規格。


圖七：整機正面


圖八：整機背面，連線為四倍壓輸出


圖九：底部佈線圖


表二：可調電源輸出電壓與 R3 + VR1 阻值列表

       檢查：
裝好機，重新核對一下，特別 B+，地線，IC 1、2 腳，晶體管 B、E 腳，此等容易犯錯地方。

       低壓檢查，信心爆棚者可略去，36V 以下屬安全電壓，50V 以下算低壓，50V 接觸有痲痺感，相對未算太危險，使用 DC12 ~ 24V 接到輸入端，目的測試能否工作，將 R3 短路，調整 VR，輸出電壓應有變動，IC 與高壓管都有電壓降，輸出最高會比輸入稍低，能調整顯示正常，只檢查 LM317 亦無不可， 用 5V 在 R5 輸入，短路 R3，調整 VR，輸出電壓應能 1.25V 至接近 5V變動，顯示 LM317 工作正常，事後緊記去除短路，以免試高壓時 VR 出煙。

       實測：
小心高壓，注意安全，陶瓷負載電阻易生高溫，測試時用隔熱物料墊起，避免燒壞檯面，陶瓷出現高溫時，目測難以發現，小心切勿碰觸，避免灼傷。

       用了八支 10K /10W 線阻串並聯 ( 圖十 )，造了兩組 10K / 40W，兩組串聯 20K / 80W、單組 10K / 40W 和兩組並聯 5K / 80W，用作負載測試，使用整數電阻值，測量輸出端電壓，即時估算出輸出電流，測試倍壓整流，負載只接於四倍輸出端，量出各點電壓見 ( 表三 )。


圖十：測試用負載線阻


表三：四倍壓整流輸出特性，測試時負載只連接於四倍壓輸出端。

       可調電源空載時，假負載 R1 電流不足，加上 R6、ZD1 分流，IC1 沒有足夠電流驅動，未接負載時會失調，當然，更改 R1 數值，令輸出電流增加，達至輸出不變亦無不可，R1 要加大功率，耗費電流有點不值，接上 20K 負載，然後調整，( 表四 ) 給出 440V、344V 輸出試驗結果，電流、功率，並非精確計算，如：輸出未計 R1 200K 假負載電流，未計 R6、ZD1 分流，未計 R3 + VR1 分流。


表四：可調電源輸出實測電壓，電流及功率屬計算所得
  
      LM317 檢測：
IC 內有數十個晶體管，難以用歐姆檔簡單測量，只能實測，根據控制腳對地，阻值越大，輸出電壓越高，阻值為 0，輸出 1.25V ( 不同批號會有少許分別 )，最簡單就是 1 腳與地 斷 / 通 ( 圖十一 )，用了個開關作說明，實測時，不必使用開關，地線碰觸 1 腳即可，輸出 2 腳與散熱片共通，用鱷魚夾十分方便，有變化就是好 IC，要進一步可以加 VR，觀察輸出電壓。


圖十一：LM317 簡單檢測

       達靈頓管檢測：
達靈頓管內附保護二極管及基極分流電阻，用於高壓 C ~ E 不應漏電，使用萬用錶電阻檔 R x 1K，黑筆接 C 腳 ( 黑筆是錶內電池正電 )，紅筆接 E 腳，電阻應呈 ∞ ( 圖十二 )，反向測量呈導通，係因保護二極管，屬正常，下一步檢測晶體管能否工作，萬用錶電阻檔 R x 1，黑筆接 C 腳，紅筆接 E 腳，使用 1K 作基極電阻，斷 / 通基極電阻，觀看 C ~ E 能否開關 ( 圖十三 )。


圖十二：達靈頓管內部結構與檢測漏電


圖十三：用 1K 電阻檢測高壓管開與關

       耐壓檢測需要高壓電源，可用萬用錶 DC 1KV 檔，作檢測電流錶 ( 圖十四 )，萬用錶內阻 20KΩ/V，1KV 檔內阻是 20K x 1000 = 20MΩ，實際上是 50 uA 錶頭串聯了電阻，能保功率管不致燒毀( 電壓相差太遠另計 )，小型管須再加限流，接上高壓檢測，若然錶針去盡，表示被測管無法承受此電壓，廠內測試採用可變電源 ( 圖十五 )，顯示擊穿電壓 BVceo ( Ib = 0 ) BVces ( Vbe = 0 )，擊穿電壓有一定餘量，多按基準電流確定。


圖十四：萬用錶 DC 1KV 檢測功率管耐壓


圖十五：高壓管擊穿電壓檢測

       區分達靈頓管與單個晶體：
達靈頓管由兩個晶體管直接交連，B ~ E 有兩個 PN 結，並聯了分流電阻，使用 R x 1 檢測，避免誤判，單管只得一個 PN 結 ( 圖十六 )，，萬用錶電阻檔有負載電壓 LV ( Load Voltage ) 及負載電流 LI ( Load Current ) 刻度 ( 圖十七 )，檢查 PN 結順向電壓，R x 1 電阻檔顯示，最大電流 150mA ( 圖十八 )，檢測 B ~ C，這是單個 PN 結，LV 顯示 0.8V ( 圖十九 )，再檢測 B ~ E，它有兩個 B ~ E 結串聯，LV 應顯示 1.5V ( 圖二十 )，這就是達靈頓管，若只得 0.8V，顯示只有一個 PN 結，是單個晶體管。


圖十六：達靈頓管與單管比較


圖十七：萬用錶電阻檔之 LV 及 LI


圖十八：R x 1 最大 LI 150mA


圖十九：B ~ C 只有一個 PN 結 0.8V ( LI 110mA )


圖二十：達靈頓管 B E 兩個 PN 結 1.5V ( LI 75mA )


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