本文將深入探討一款具備過(guò)流保護(hù)功能的 LM317 穩(wěn)壓電路在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。該電路通過(guò)合理配置交流降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓以及保護(hù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)穩(wěn)定且安全的供電與控制。
一、電路構(gòu)成與基本原理
該帶過(guò)流保護(hù)功能的 LM317 穩(wěn)壓電路主要由五大功能模塊構(gòu)成：交流降壓電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路以及保護(hù)電路。外接交流 220V 電壓經(jīng)過(guò)電源變壓器進(jìn)行降壓處理，再經(jīng)過(guò)整流電路轉(zhuǎn)換為直流電壓 Vin，隨后通過(guò)濾波電路去除紋波等雜質(zhì)，得到較為平滑的直流電壓并輸入到集成穩(wěn)壓器的輸入端。經(jīng)由 LM317 集成穩(wěn)壓器的調(diào)節(jié)作用，在其輸出端能夠獲得 1.25～37V 范圍內(nèi)的可調(diào)直流電壓，為直流電機(jī)提供穩(wěn)定的電源支持。
二、集成穩(wěn)壓器的保護(hù)機(jī)制
為了確保 LM317 穩(wěn)壓器在各種工況下都能穩(wěn)定可靠地工作，設(shè)計(jì)了一系列保護(hù)措施：
（一）輸出紋波抑制與短路保護(hù)
鑒于 LM317 穩(wěn)壓器的調(diào)節(jié)端與地之間所接電阻 R2 的阻值及其壓降可能較大，容易導(dǎo)致輸出端紋波增大。為此，在 R2 兩端并聯(lián)了一個(gè)小于 10μF 的電容 C3，以此有效濾除輸出端的紋波成分，提升輸出電壓的純凈度。然而，當(dāng)輸入端或輸出端出現(xiàn)短路故障時(shí)，電容 C3 的快速放電會(huì)在 R1 上引發(fā)沖擊電壓，這可能會(huì)對(duì)其基準(zhǔn)電壓電路造成損害。因此，在 R1 兩端并聯(lián)了二極管 D3，當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，D3 能夠及時(shí)導(dǎo)通，為沖擊電流提供泄放路徑，從而保護(hù)穩(wěn)壓器免受過(guò)壓沖擊的危害。
（二）防自激振蕩與輸入短路保護(hù)
穩(wěn)壓器在 1∶1 的深度負(fù)反饋模式下運(yùn)行，若輸出端負(fù)載呈現(xiàn)容性且達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，極易引發(fā)自激振蕩現(xiàn)象，影響電路的正常工作。為此，在穩(wěn)壓器的輸入端接入了 0.1μF 的電容 C1，并在輸出端接入了 1000μF 的電解電容 C5。其中，C1 主要用于補(bǔ)償高頻特性，防止高頻噪聲干擾，而 C5 則為電路提供了充足的電流儲(chǔ)備，同時(shí)有效抑制了自激振蕩的發(fā)生，改善了負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)性能。但當(dāng)輸入端遭遇短路時(shí)，C5 會(huì)通過(guò)穩(wěn)壓器的調(diào)整管進(jìn)行放電，由于 C5 容量較大，放電瞬間產(chǎn)生的沖擊電流極為可觀，這可能導(dǎo)致穩(wěn)壓器內(nèi)部的輸出晶體管發(fā)射結(jié)遭受反向擊穿損壞。基于此，在穩(wěn)壓器兩端并接了二極管 D2，一旦輸入端短路，C5 就會(huì)通過(guò) D2 進(jìn)行快速放電，避免了過(guò)大的沖擊電流流經(jīng)穩(wěn)壓器，從而對(duì)其起到了有效的保護(hù)作用。
三、過(guò)流保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)
過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)對(duì)于保障直流電機(jī)的安全運(yùn)行至關(guān)重要，其原理如下：R5 作為取樣小電阻，串聯(lián)在穩(wěn)壓器的輸出回路中。當(dāng)電源接通，穩(wěn)壓器開始輸出正向直流電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由于直流電機(jī)啟動(dòng)瞬間的電流 iout 相當(dāng)大（通常是額定電流的 8～10 倍），該電流流經(jīng) R5 后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓降，并經(jīng) R4 對(duì) C4 進(jìn)行充電。通過(guò)合理選配 R4 和 C4 的參數(shù)，確保充電時(shí)間常數(shù) Υ 大于電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間 δ，使得在電機(jī)啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行階段，V2（9013 型三極管）一直處于截止?fàn)顟B(tài)，不妨礙電機(jī)的正常啟動(dòng)過(guò)程。然而，一旦電機(jī)發(fā)生短路故障或出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況，導(dǎo)致流經(jīng) R5 的電流持續(xù)增大，使得電容 C4 兩端的電壓迅速上升并達(dá)到 V2 的導(dǎo)通電壓閾值時(shí)，V2 便會(huì)迅速導(dǎo)通。此時(shí)，V2 的導(dǎo)通將迫使 LM317 穩(wěn)壓器的輸出電壓強(qiáng)制下降至基準(zhǔn)電壓 1.25V，從而對(duì)電機(jī)實(shí)施過(guò)流保護(hù)，避免因過(guò)大的電流而造成電機(jī)損壞。
四、直流電機(jī)限位與過(guò)流保護(hù)電路
（一）電路功能概述
該電路能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的同時(shí)，具備限位和過(guò)流保護(hù)功能，極大地提升了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全性和可靠性。
（二）電路原理詳解
整個(gè)電路以 +24V 和 GND 作為輸入電源，核心元件包括帶常開、常閉觸點(diǎn)輸出的繼電器 K1、直流電機(jī) M1 以及電流采樣電阻 R3 等。此外，D1 和 D2 是選用持續(xù)電流容量大于繼電器工作電流的二極管，用于確保電路的正常導(dǎo)通和保護(hù)。
當(dāng)需要電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，將 +24V 接電源正極，GND 接電源負(fù)極。此時(shí)，由于電機(jī)與繼電器的常閉觸點(diǎn)相連，電機(jī)能夠直接啟動(dòng)并正常運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，當(dāng)電機(jī)到達(dá)預(yù)設(shè)的限位位置或者因故障發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)的工作電流會(huì)顯著增大。這一變化使得采樣電阻 R3 兩端的電壓升高，該電壓信號(hào)通過(guò) R1 傳遞至三極管 Q2 的基極。一旦 R3 兩端的電壓超過(guò) Q2 的導(dǎo)通電壓，Q2 即刻導(dǎo)通，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)繼電器 K1 切換狀態(tài)，切斷電機(jī)的供電電源，使電機(jī)停止運(yùn)行。與此同時(shí)，Q2 的基極通過(guò) R2 與繼電器 K1 的觸點(diǎn)以及電源正極形成回路，確保 Q2 始終保持在導(dǎo)通狀態(tài)，從而使繼電器 K1 穩(wěn)定地維持在工作狀態(tài)，直至故障排除或運(yùn)行方向改變。
當(dāng)需要電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，則將 +24V 和 GND 的接線反接，即原網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào) +24V 接電源地，原網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào) GND 接電源負(fù)極。電機(jī)上電后同樣直接啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。若此時(shí)電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)故障，R3 兩端電壓同樣會(huì)增大，導(dǎo)致 PNP 型三極管 Q1 導(dǎo)通。Q1 導(dǎo)通后，繼電器 K1 切換，電機(jī)斷電停止。此時(shí)，Q1 的基極通過(guò) R2 與繼電器 K1 的觸點(diǎn)直接連接到電源負(fù)極，保證 Q1 持續(xù)導(dǎo)通，繼電器保持工作狀態(tài)，確保電機(jī)處于斷電保護(hù)狀態(tài)。
通過(guò)以上精心設(shè)計(jì)的電路，在實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)靈活正反轉(zhuǎn)控制的基礎(chǔ)上，有效地融入了限位和過(guò)流保護(hù)功能，為直流電機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障，同時(shí)也降低了系統(tǒng)成本，提升了整體性能。
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