开关电源工作原理.docx

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开关电源工作原理

开关电源

一．开关电源的工作原理

（以LQ-1600K3电源为例）

+5V

+35V

cpu20

AC输入

sw

1.滤波电路

交流输入经滤波电路整形进入全桥整流。

滤波电路减小了外部噪声和打印机内部所产生的噪声。

滤波器中使用的线圈和电容的作用是抑制交流电中的毛刺脉冲，使噪声干扰降低到最小从而得到一个较平滑的正弦波。

C3、C4电容接于地是为了防止电源中窜入高脉冲损坏电路。

经全桥整流和电容滤波形成300多伏的准直流电压。

2.开关电路

开关电路使用环形阻塞转换器式交流输入开关电源电路。

具有元件少，变压器小的特点，场效应管Q1既是开关管又是振荡管，振荡周期由电阻R11和C13的充放电时间常数所决定。

电路的工作过程是导通饱和→截止→导通饱和，周而复始地进行下去。

其工作过程如下：

a.导通饱和阶段

电源接通，交流220V经过滤波、整流、平滑输出直流电压300V，由启动电阻R10、R31接至振荡管Q1的栅极上，产生栅压Vgs，在Q1的漏极上产生漏极电流Id，从小到大。

在变压器T1上线圈T15—12内产生一个力图阻止Id增大的自感电动势，极性为上正下负，同时在T10—9中感应出一个感应电动势其极性也为上正下负，由于C13两端电压不能突变，因此T10—9线圈中产生的感应电势不能立即充电，通过R11、C13加至Q1的栅极，使栅极电位提高，Q1漏极电流更加增大，又通过T10—9使Q1栅极电位更加提高，从而使漏极电流增大更快，这种连锁的正反馈使Q1进入饱和状态。

b.从饱和到截止阶段

由于Q1导通饱和后，T10—9感应电动势通过R11、R19向C13充电，充电方向从T10—9的10端经R11、C13、R19，于是C13被充电，电压为右正左负，随着充电的进行，C13右端电位逐渐升高，左端电位随着降低，经过一段时间，当C13左端电位低到一定数值时，Q1的栅压开始减小，漏极电流Id也随之减小，由于线圈有抵制电流变化的特性，T15—12线圈中就产生一个力图阻止漏极电流减小的自感电动势，它的极性和刚才的相反，是上负下正，并且在线圈T10—9中感应出一个上负下正的感应电动势，它的负端通过R11、C13加到Q1的栅极，使栅极电压更负，从而使漏极电流Id更小，这种正反馈的作用，使Q1很快脱离饱和转入截止状态，即所谓截止阶段。

Q1关断时,产生一个浪涌电流经线圈T15—12使线圈T15—12中产生一个上正下负的感应电动势，并且在线圈T11—9中也感应出一个上正下负的感应电动势，然而Q3的发射极电压超过了基极电压，而Q3的基极电压是由IC1（TL431）稳压的，所以Q3导通，便使Q2也导通，并且短路Q1的栅极，维持接地，保持Q1可靠的截止，直至浪涌电压经地线耗尽为止。

c.从截止到导通饱和阶段

Q1截止后，C13停止充电，并通过R11→T10—9→D2→C13放电，C13两端电位发生了变化，C13右边电位降低，左边电位相对提高，于是通过C13左边连接到Q1栅极的电位也随之提高，当栅极的电位升高到一定数值时，就重新产生漏极电流，如上述由于正反馈的作用使Q1很快从截止状态进入导通饱和阶段。

所以振荡电路从导通饱和——截止——导通饱和周而复始地循环

3.+35V整形电路

包括T3—5、T4—6、D51、C51、C52等。

4.+35V稳压控制电路

正常工作状态下，稳压控制电路使输出电压稳定在35±6%之间。

如果因某种原因引起输出电压高于35V＋6%，而稳压二级管ZD51、ZD81~ZD85两端电压32.7V保持不变；或因稳压二级管ZD51、ZD81~ZD85两端电压低于32.7-2.75％V时，流经DZ51-DZ85-D81-R57的电流会增大，使得PC1的1—2腿上的电流加大并使7-8腿导通，以至于使Q3发射极电位提高导至Q3、Q2导通，使Q1截止；相反若输出低于35V-6％时，PC1、Q2截止，Q1处于正常导通状态，输出继续增大，直到恢复35V±6%。

5.+35V过载检测电路

当+35V输出过载时，引起输出电压变化，这时流DZ51—DZ85--D81--R57--PC1的电流减小几乎为0A，使PC1与D81两端电压（Vf）下降，当Vf电压降到1.3V（输出电压降至33.1V）以下时，IC528检测到+35V输出过载，使IC528输出一个高电平（+5V）PWDN信号，此信号接到CPU的20脚上，CPU收到PWDN信号后，打印动作停止。

当+35V正常后，PC1与D81两端的电压也恢复正常，当Vf上升到1.6V以上（输出电压升至33.4V）时，IC528输出低电平。

6.+35V/+5V过压保护电路

当输出+35V电压变大超过+42.42V时，稳压二级管ZD52、ZD87、Q81、Q55对地导通；当+5V输出变大超过+7.5V时，DZ53、Q55对地导通，此时Q55、Q81、PC1的3—4、5--6腿处于导通状态，开关管Q1被深度截止。

无论那个过压保护电路起作用，需重新开启开关方可启动电源板。

7.+35V过流保护电路

当输出+35V降低到+27V以下，Q82和Q54导通，PC1脚3—4中的电流加大,PC1脚6—5也随之导通，引起Q32、Q31导通，至使开关管Q1深度截止，当保护电路起作用时，只能用开关电源解除保护状态。

8.+5V稳压控制电路

+5V输出的一端接到IC51脉宽调制芯片TL494CN的第16脚与输入到第15脚的标准电压比较。

当第16脚（+5V输出）低于4.81V或高于5.17V时，从IC51第8脚输出的PWM脉冲宽度随之改变，从而保持输出端电压在4.81V-5.17V之间。

9.+5V过流保护电路

+5V输出一路接在脉宽调制芯片IC51（TL494CN）的第2脚，当+5V输出端下降到4.75V时，芯片IC51第8脚无PWM脉冲输出，此时Q51截止，无+5V输出。

起到保护起作用。

10.电源开关控制

当电源开关处于关闭状态时，R91、C55、D85、R68、R69对地导通，此时PC1的5-6脚、Q32、Q31亦导通，使得Q1关断，从而无输出。

关机时PC1状态输入端：

Pin1—2=0v，Pin3—4=0.96v，

输出端：

Pin7—8=19.4v，Pin5—6=0—3.2v脉冲，

开机时PC1状态输入端：

Pin1—2=1v，Pin3—4=0v，

输出端：

Pin7—8=17v，Pin5—6=5.3v，

二．维修电源板的流程

a．目测电路板上有无使得电源板短路的物质及坏的元件（如：

死的蟑螂、老鼠的排放物、电容液等其他腐蚀物）。

维修当中经常见到如上东西存留在电源板上，尤其冬天的蟑螂很喜欢Q1的散热片，蟑螂会使Q1短路；有些电源板的输入电压是交流110伏，而用户给其接入了220伏，这样滤波电容（C11）爆裂（220伏对应的C11耐压是400伏，110伏对应的C11耐压是200伏），电解液漏出腐蚀其他元件。

电源板待清洁后换同型号电容，一般情况下故障解除。

b．用万用表测量F1是否断开，如完好，维修见c和d；如断开，再测量DB1、Q1、浪涌拟制电阻（部分电源板使用水泥电阻）等元件，如果其阻值正常，更换F1测试有无输出电压；如果DB1、Q1、浪涌拟制电阻其中之一烧毁，用同型号的更换，测试有无输出。

很多情况F1、Q1同时烧毁，更换之输出电压正常。

c．若测得F1完好，检查Q1的启动电阻是否正常,测量时断开电阻的一脚，可以测得准确的阻值看是否与色环表示对应，如阻值不正常更换，看有无输出电压。

启动电阻坏的几率很少，几乎很难看到因启动电阻坏而电源板无输出的情况。

d．若测得F1完好，而Q1、启动电阻等也正常，仍无输出，这时可以把电路分为两部分，即变压器的前级和后级，用加电测量变压器有无输出电压来判断问题发生哪级。

即：

断开变压器次级整流二极管，加电220伏，用万用表交流挡测量变压器次级产生35伏（或者42伏）的管脚电压，如有40伏左右电压（或者55伏左右），说明问题出在变压器以后电路部分；若无电压则可能是变压器以前；如果变压器内部短路或断路，也会无输出。

变压器断路可以测量出，短路很难测量出，但两种坏的情况都很少发生。

整流开关回路功率管容易烧毁，D1/D2等其他管子很少坏，Q2/Q3/Q31/Q32会在后面的保护电路中讲到。

注意：

断开二极管测量时，加入220伏要有开关控制，要迅速加电迅速断开，以防止无保护电路电压异常损坏其他管子。

e．如果变压器的次级电压有，首先检查直流35伏保护电路是否正常，办法是断开保护电路PC1脚3或者脚4（或者是Q32任一脚），快速加电快速断电，测量35伏是否能产生，35伏产生过，由此断定是保护电路的某些器件损坏，可以用万用表测量PC1、Q31、Q32、Q53、Q54、Q82（16K3电源板中的保护电路元件代号）等其他好坏。

在有些电源板中保护电路使用的是内部含有电阻的三极管，测量不易准确，最好和好的对比着量。

f．直流5伏是由35伏产生的，如果5伏异常，可能是产生5伏的控制电路出错，用同型号替换，电压会恢复正常。

g．如果在断开保护时产生的35伏电压（35V±6%）异常，或者电路不起振，检查PC1（1、2、7、8脚）、Q2、Q3等元件是否正常。

有些电源板有输出保险，修板子应先看此保险是否断开，此保险也是电源板的保护保险，往往由于负载异常而被烧毁，更换新的输出会正常。

电源板中输出电压形成与输入电压开始有一定的时间差，从F1的熔断速度能粗略判断出哪级元件损坏；从打印机面板灯从亮到灭的过程能判断出是哪级保护电路有故障。

三．LQ-1600K3电源板无输出维修实例

1.LQ-1600K3打印机开机后无反应

（1）：

故障现象:

LQ-160OK3打印机开机后操作面板上电源指示灯不亮，字车不返回初始位置。

检查与排除:

在LQ-160OK3打印机中，开机后操作面板上电源指示灯不亮现象一般有三种原因:

一是由于电源本身故障使得电源的高压与低压电源均无电压输出;二是由于负载短路造成电源保护电路工作，电源无电压输出;三是主控电路板上CPU电路没有复位，有关控制电路不工作，电源指示灯不亮。

根据这些情况应先确定电源本身是否有故障，然后再逐项检查。

本例中，按照常规检查方法，先检查该打印机的供电电压、交流电源输入插头，然后打开打印机上盖，拆下主控电路板屏蔽罩，从主控电路板插座CN2上拔掉与电源板的连接线。

再加电后观察风扇是否转动。

结果风扇不转，由于风扇的工作电源是由该电源板上+35V直接提供的，风扇不转意味着无+35V电压，由此判定为电源本身故障。

具体检查步骤如下（参见下图）:

①从打印机底壳中取出电源板对其进行静态测量。

②观察电源板上的交流电源输入保险丝管Fl，正常。

用万用表静态测量主开关管Q1（K1603）的控制极（G）极和漏极（D）极对地的正、反向电阻值，结果正常。

说明主开关管正常。

③测量电源各个输出端的输出电压值，结果+35V输出端的电压值仅为+2.5V；+5V输出端的电压值也只有+2V。

由此判断可能是电源的保护电路工作所致。

检查+5V和+35V输出电路有无短路，结果也正常。

④检查该电源保护电路的有关器件，加电测量光电藕合器PCl的6脚对地的电压值量得为+12V，而正常情况下应该是+4V。

随后检查Q32（C124）、Q31（K1725）和ICl（TL431）后，查得TL43l的R-A之间的正、反向电阻值均为0.2KΩ。

而正常值应该都是4KΩ。

判定TL431损坏。

拆下TL431并更换后故障排除。

故障解析:

LQ-160OK3打印机电源主开关电路主要由主开关管Ql、高频变压器Tl、三极管Q2、Q3、Q32、可控调节稳压器ICl、光电耪合器PCl组成，其电路如图见附图2所示。

正常工作状态下，ICl是三极管Q3的基极稳压源，检测+5V输出电压值。

当+5V电压值异常升高时，经过PCl反馈到ICl的控制极，使得Ql截止。

而在本例中，由于ICl的K-A极之间漏电导致Ql工作异常而出现故障。

2.LQ-1600K3打印机开机后无反应

（2）

故障现象:

LQ-160OK3打印机开机后操作面板上电源指示灯不亮，字车不返回初始位置。

检查与排除:

按照上实例的检查方法，检查后初步判定为该机电源本身故障。

将电源板从打印机内拆下，先检查交流电源输入保险丝管Fl，结果Fl完好无损，用万用表测量高压输出电容C11两端的正、反向电阻值或直接测量主开关Q1（K1603）的控制极（G）极和漏极（D）极对地的正、反向电阻值，以此判断直流高压电路有无短路现象，结果正常。

加电测量该电源各个输出端的输出电压值，结果+35V输出端的电压值很小只有+lOV且在不断地下跌，+5V输出端的电压值异常，达到+lOV。

从下图可以看出，+5V稳压电路由稳压集成电路494C（IC51）、开关管Q51（A1680）和一些其它元件组成。

由于+5V稳压电路的输入电压取自+35V电源，+5V稳压电路故障会影响到+35V电压值。

由此看来，应先排除+5V电源电路故障才能解决+35V电源的故障。

先将Q5l的c-e极从电源板上断开，即切断+5V稳压电源的输入电压，再加电测量+35V电源输出端的电压值，结果为+35V。

拆下Q51检查测得其c-e极的极间电阻值均为lk左右。

判定Q51损坏，更换Q51后故障排除。

故障解析:

LQ-160OK3打印机电源+5V稳压电路如上图所示。

其工作原理为:

+35V电压输入到稳压电路开关管Q51的发射极，此时，稳压集成电路IC5l内部振荡器产生一定频率的锯齿波（其频率大小由电阻R63和电容C58决定），并通过8、11脚输出到Q51的基极，以此控制着Q51的开关频率，通过控制Q51的开关频率便可在Q51的集电极上得到稳定的斗5V电压。

图中二极管D55是Q51的续流二极管，L5l则是储能电感。

本例故障主要是由于Q5l的c-e极极间漏电，一方面使得+35V电压通过Q5l的c-e极窜到+5V电源输出端，使+5V输出端的电压值达到+lOV;另一方面作为+35V负载的Q51漏电会启动该电源的保护电路，导致+35V电源输出电压下跌。

虽然+5V稳压电源输出端有+lOV电压，但在主控电路板上+lOV电压却远远地超出板上芯片的工作电压（+5V），主控电路自然不能正常复位，故出现面板上电源指示灯不亮的现象。

3.LQ-1600K3打印机开机后无反应（3）

故障现象:

LQ-160OK3打印机开机后操作面板上电源指示灯不亮，字车不返回初始位置。

检查与排除:

按照[实例1]的检查方法，检查后初步判定为该机电源本身故障。

将电源板从打印机内拆下，先检查交流电源输入保险丝管Fl，结果发现内部焦黑不清，显然主开关电路有短路（参见实例1图）。

用万用表直接测量主开关Q1（K1603）的控制极（G）极和漏极（D）极对地的正、反向电阻值，结果已经击穿，拆下Ql检查后判定Q1损坏。

用同型号新的三极管（K1603）更换Q1，并换上相同规格的新保险丝管后，进行加电测试。

当输入的交流电压升到170V时保险丝管Fl又烧坏，断电检查Ql后，发现其S-D之间短路，进一步检查开关电路后查得二极管Dl短路。

在用同型号的器件分别更换Ql·Fl和Dl后进行加电测试，输出电压分别达到正常值+5V和+35V。

将修好的电源装入打印机进行试验后发现打印机面板上的电源开关失效，即电源开关处于断开状态下，打印机一接通电源其字车随即开始移动，用替换法检查后，仍然是打印机电源故障。

此时因为电源输出电压正常，应着重检查该电源的关闭电路，即检查PCl、Q32、Q31及其外围电路（参见实例1图和实例2图），最后查得场效应管Q31（K1225）损坏，用一只同型号的新管更换后，打印机故障排除。

故障解析:

本例由于二极管Dl击穿使得高频变压器Tl中线圈5-12上电流激增导致主开关管Q1损坏。

该电源的关闭电路主要由PCl的一组光电欧合器（3、4、5、6脚）、三极管Q32（C124）和场效应管Q31（K1225）组成。

其原理是:

正常情况下+35V通过二极管D84施加在PCl的发光二极管（4脚）上，再通过光电接收管（5、6脚）反馈到场效应管Q31的控制极。

当打印机的电源接入而操作面板上的电源开关处于关闭状态时，即开关处于闭合状态时CN2-10为低电平，PCl的3、4发光二极管导通，光电接收管5、6导通，经过Q31和Q32后使Ql的控制极电位为零，整个电源工作在待机状态下，电源板无电压输出。

由于LQ-160OK3打印机电源在打印机电源线接入交流电源后，电源的主开关管Ql即工作，因此当打印机不用时，一定要将其电源插头拔下。

打印机开机即按下操作面板上电源开关时，开关处于断开状态，CN2-10脚为高电平，PCl的3、4发光二极管截止，光电接收管5、6截止，主开关管Ql恢复到正常工作状态，电源正常工作。

当Q31损坏时，无法将操作面板上的电源开关状态反馈到主开关管的控制极，导致打印机一插上交流电，打印机就工作在异常状态

4.LQ-1600K3打印机开机后无反应（4）

故障现象:

LQ-160OK3打印机开机后操作面板上电源指示灯不亮，字车不返回初始位置。

检查与排除:

按照惯例检查方法检查后发现风扇工作正常，说明电源工作正常，而电源指示灯不亮，这可能是主控电路板上CPU电路没有复位，导致面板控制电路不工作。

按以下步骤检查主控电路板:

①关断打印机电源后，从打印机底壳中取出主控电路板对其进行静态测量。

检查其+5V电压端对地之间的正、反向电阻值（可以通过测量并行接口缓冲电路74LS06芯片的7脚对14脚），结果其正、反向电阻值分别为1.5k和0.65k,属于正常。

②用一片好的LQ-160OK3打印机的监控程序ROM芯片替换原主控电路板上ROM芯片（IC3），加电观察打印机的工作状态，结果故障依旧。

③加电测量CPU电路的复位电压即测量IC5（PST532D）的3脚上的电压值，结果测得为+4.9V，属于正常。

④加电后用示波器分别观察CPU电路的外接振荡信号输入端（25、26脚）上有无振荡波形（LQ-160OK3打印机的外接晶体振荡器CRUl的振荡频率为17.2MHZ），结果无波形输出。

用一只好的晶体振荡器更换后故障排除。

故障解析:

LQ-160OK3的CPU芯片内部设有设置时钟振荡器，它必须由外加晶体振荡器CRUl来提供频率为17.2MHZ的时钟信号。

本例中由于CRUl损坏导致CPU不能正常工作，出现面板上电源指示灯不亮的故障现象。

四.元器件好坏的判断

1.测试二极管的好坏

使用万用表测试二极管性能的好坏。

测试前先把万用表的转换开关拨到欧姆档的RX10或RX1K档位（注意不要使用RX1档，以免电流过大烧坏二极管），再将红、黑两根表笔短路，进行欧姆调零。

①.正向特性测试

把万用表的黑表笔（表内正极）搭触二极管的正极，红表笔（表内负极）搭触二极管的负极。

若表针不摆到0值而是停在标度盘的中间，这时的阻值就是二极管的正向电阻，一般正向电阻越小越好。

正向电阻在几百欧到几千欧大小，若正向电阻为0值，说明管芯短路损坏，若正向电阻接近无穷大值，说明管芯断路。

短路和断路的管子都不能使用。

②.反向特性测试

把万且表的红表笔搭触二极管的正极，黑表笔搭触二极管的负极，反向阻值一般在几千欧到兆欧，若管子的阻值为零或无穷大，说明管子是不合格的。

特例：

硅稳压二极管

硅稳压管实质上也是晶体二极管，因为它有稳压的特点，所以把这种类型的二极管叫做稳

2.三极管的简单测量

使用晶体管时，往往要对晶体管的质量和性能进行判断。

比较准确的方法是用专门的测量仪器。

下面介绍用万用表对晶体管进行测量的简易方法：

万用表进行测量时，万用表的选择开关应选择在欧姆挡的R×100或R×1k挡位上。

高挡位可能会因电池电压过大使得PN结反向击穿；低挡位会因电流过大烧毁PN结。

①.基极及管型判断：

因为从晶体管的管脚b到c和b到e分别是两个PN结，它们的正向电阻都很小，所以用万用表欧姆挡测量时，可以任意假设一个极是基极，将任一表棒分别和其余的两极相接，若电阻都很大，然后将两表棒对调测量，如电阻都很小，则上述假设的基极是正确的。

如果测量的电阻是一大一小，则假设的基极不对，可换一管脚作基极再测量，直到符合上面的正确结果为止。

基极确定后，用万用表的红表棒接基极，黑表棒分别和另外两电极相接，若测量的电阻都很小，即为PNP型管，反之则是NPN型管。

②.集电极与发射极的判断：

测量电路见下图，对于NPN型管在万用表两表棒接到除基极以外的两管脚后，合上K如果表针摆动较大，则黑表棒所接的那支管脚就是集电极。

因为对于NPN型管，只有集电极接正电压，发射极接负电压时，电流放大系数才比较大，才有较大的电流通过电表而表针有较大的偏转。

集电极确定后，剩下的一支管脚就是发射极。

对于PNP型管，将左图中红、黑表棒对换，合上K，如表针摆动较大，则红表棒所接管脚为集电极；或者用万用表的黑、红表笔颠倒测量两极间的正、反向电阻Rce和Rec，虽然两次测量中万用表指针偏转角度都很小，但仔细观察，总会有一次偏转角度稍大，此时电流的流向一定是：

黑表笔→c极→b极→e极→红表笔，电流流向正好与三极管符号中的箭头方向一致，所以此时黑表笔所接的一定是集电极c，红表笔所接的一定是发射极e。

对于PNP型的三极管，道理也类似于NPN型，其电流流向一定是：

黑表笔→e极→b极→c极→红表笔，其电流流向也与三极管符号中的箭头方向一致，所以此时黑表笔所接的一定是发射极e，红表笔所接的一定是集电极c.

③.β值的估计：

上图测量电路中，如果在K合上与断开的两次测量中，表的读数相差愈大，表明β值较大。

1

④.穿透电流Iceo的测量：

如右图连接，用万用表测量c、e之间的电阻。

对于一般小功率晶体管，阻值应该在十几千欧以上。

如果阻值太小，表示Iceo较大；如

3.场效应三极管的测量

由于场效应管的特殊结构，栅极与源极、漏极之间用万用表电阻挡测量其阻值是无穷大，源极与漏极之间测量时有单向电阻，原因是源极与漏极之间是N型或P型材料，当测量电阻时，实际上是给两极之间加上外电场，自由粒子在外电场的作用下移动，与万用表之间形成导通回路，能测量到几百Ω到几千Ω电阻；如果表棒调换，则测量的电阻是无穷大。

五.TL494（脉宽调制器）工作原理

　第

（1）脚为第一组误差放大器的同相输入端。

　　第

（2）脚为第一组误差放大器的反相输入端。

从第（14）脚输出的5V基准电压经R14、R20分压得到约4V的电压，与第

（1）脚电压进行比较。

由于输+5V电压升高时第

（1）脚取样电压成比例升高，当此电压超过4V时，误差放大器输出高电平，通过IC内部比较器控制输出脉宽减小，以使5V电压下降，达到稳压的目的。

　　第（3）脚为第一误差放大器输出的引出端。

外接C19、C20、C21、R11组成的频率校正网路，以防止放大器发生自激。

　　第（4）脚为死区控制端。

当IC工作在推挽状态时，其两组输出脉冲使两只推挽开关管依次导通和关断。

为了避免开关管的滞事效应造成瞬间导通而击穿开关管，在脉冲的序列之间留有一定的空隙，称为死区。

改变第（4）脚的电压，可改变死区时间。

当第（4）脚电压大于5V基准电压时，输出脉冲关断。

在0-5V，死区时间成比例增大。

　　第（5）脚步内部振荡电路，外接定时电容C18，

　　第（6）脚为外接定时电阻R9。

此RC的值决定TL494输出脉冲的重复频率，其值为FKHZ=1.2/R欧姆.C（UF）。

按图中数据，此电源的工作频率为30KHZ。

　　第（7）脚共地端，也是供电的负极端。

　　第（8）（11）脚为两路输出放大管的集电极。

　　第（9）（10）脚为内部驱动放大管的发射极，接