《電子應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目教程（第4版）》課件 項(xiàng)目2直流穩(wěn)壓電源的制作

直流穩(wěn)壓電源的制作目錄學(xué)習(xí)目標(biāo)工作任務(wù)知識鏈接知識拓展知識小結(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.能完成直流穩(wěn)壓電源電路的測試與維修。2.能完成直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)與制作。知識目標(biāo)能力目標(biāo)了解半導(dǎo)體的基本知識,熟悉二極管、三極管的結(jié)構(gòu)及特性;掌握橋式整流電路的組成、原理及正確接法;了解電容及電感濾波的原理;掌握硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的組成與工作原理;了解串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成與原理;掌握三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用。返回素質(zhì)目標(biāo)1.培養(yǎng)創(chuàng)新意識,提升電子產(chǎn)品創(chuàng)新的專業(yè)能力。2.培養(yǎng)班組管理、團(tuán)隊(duì)組織能力。直流穩(wěn)壓電源的制作工作任務(wù)1.實(shí)訓(xùn)目標(biāo)

（1）增強(qiáng)專業(yè)意識,培養(yǎng)良好的職業(yè)道德和職業(yè)習(xí)慣。（2）能借助資料讀懂固定輸出式穩(wěn)壓集成塊芯片的型號,明確各引腳功能。（3）了解固定輸出式直流穩(wěn)壓電源電路的檢測方法。（4）學(xué)會+5V直流穩(wěn)壓電源的制作方法。（1）各小組制定工作計(jì)劃。（2）讀懂直流穩(wěn)壓電源電路原理圖，明確元器件連接和電路連線。（3）畫出裝配圖。（4）完成電路所需元器件的檢測。（5）根據(jù)裝配圖制作直流穩(wěn)壓電源電路。（6）完成直流穩(wěn)壓電源電路功能檢測和故障排除。（7）通過小組討論完成電路詳細(xì)分析并撰寫任務(wù)工單。2.任務(wù)要求3.電路工作原理利用交流變壓器T把220V(有效值)、50Hz的交流電降壓,得到12V的交流電,通過VD1～VD4四只二極管組成的全波整流電路,把交流電整流成直流電,經(jīng)過電容C濾波,把信號送給三端穩(wěn)壓器LM7805,經(jīng)過穩(wěn)壓作用,得到穩(wěn)定的+5V直流電壓,得到一個電壓橫波系數(shù)很小的+5V直流電。4.實(shí)訓(xùn)設(shè)備與元器件

（1）實(shí)訓(xùn)設(shè)備：模擬電路實(shí)驗(yàn)裝置1臺，萬用表一臺，示波器一臺。

（2）元器件需求明細(xì)表5.電路安裝

先根據(jù)圖2.1畫出+5V直流穩(wěn)壓電源電路原理圖,然后根據(jù)原理圖畫出PCB(印刷電路板)圖和裝配圖,再根據(jù)裝配圖按正確方法插好IC芯片,并連接線路。電路可以連接在自制的PCB上,也可以焊接在萬能板上,或者通過“面包板”插接。下圖所示為焊接在萬能板上的+5V直流穩(wěn)壓電源電路裝配圖。6.電路調(diào)試、記錄測試結(jié)果

+5V直流穩(wěn)壓電源的調(diào)試。用示波器觀察整流、濾波及穩(wěn)壓波形;用直流電壓表測量各輸出點(diǎn)的直流電壓,測試結(jié)果記錄在表中。7.評價反饋

評分表(與項(xiàng)目1任務(wù)工單的評分表一樣)。由于電網(wǎng)系統(tǒng)供給的電源都是交流電,而電子設(shè)備需要穩(wěn)定的直流電源供電才能正常工作,因此必須將交流電變換成直流電,這一過程稱為整流。本節(jié)主要介紹單相半波整流電路和單相橋式整流電路。知識鏈接2.1二極管整流電路2.1.1單相半波整流電路如圖所示為單相半波整流電路,Tr為電源變壓器,VD為整流二極管,RL為負(fù)載電阻。圖(b)所示為單相半波整流電路的波形圖。1.電路組成設(shè)變壓器次級電壓為式中,U2為變壓器次級電壓有效值。在U2的正半周(0~π),假定變壓器次級繞組的極性是上“+”下“-”,則二極管VD承受正向電壓導(dǎo)通,此時有電流i0(i0=iV)流過RL,其壓降為u0=i0RL,如果忽略VD的管壓降uV,則u0≈u2,RL上的電壓u0與u2基本相等。在u2的負(fù)半周(π~2π),變壓器次級繞組的極性變?yōu)樯稀?”下“+”,VD承受反向電壓截止,此時電流i0≈0,負(fù)載上的電u0≈0,變壓器上的電壓u2以反向全部加到VD上。第二個周期開始又重復(fù)上述過程。電源變壓器次級電壓u2是交流電,但經(jīng)VD變換后,RL上的電壓實(shí)際方向始終沒有改變,即得到的電壓是直流電壓。由于在一個周期內(nèi),VD導(dǎo)通半個周期,RL只獲得半個周期的電壓,故稱為半波整流。2.工作原理RL上獲得的是脈動直流電壓,其大小用平均值U0來衡量:流過RL的平均電流為流過VD的平均電流與流過RL的平均電流相等,故VD反向截止時承受的最高反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值,所以3.指標(biāo)參數(shù)計(jì)算單相半波整流電路結(jié)構(gòu)簡單、元器件少,但輸出電流脈動很大,變壓器利用率低。因此單相半波整流電路僅適用于要求不高的場合。4.特點(diǎn)2.1.2單相橋式整流電路單相橋式整流電路由整流變壓器、4只二極管和負(fù)載電阻組成。如圖所示為單相橋式整流電路的三種畫法。1.電路組成在U2的正半周(0~π),二極管VD1、VD3承受正向電壓導(dǎo)通,VD2、VD4承受反向電壓截止,電流i0從變壓器次級a端經(jīng)VD1、RL、VD3回到b端,電流在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生壓降u0。如果忽略VD1、VD3的管壓降,則u0=u2。在u2的負(fù)半周(π~2π),VD1、VD3反向截止,VD2、VD4承受正向電壓導(dǎo)通,電流i0從變壓器次級b端開始經(jīng)VD2、RL、VD4回到a端。若忽略VD2、VD4的管壓降,則u0=-u2?？梢?在u2的一個周期內(nèi),VD1、VD3和VD2、VD4輪流導(dǎo)通,流過RL的電流i0的方向始終不變,電壓為單方向的脈動直流電壓。橋式整流電路波形如圖所示。2.工作原理RL的平均電壓為平均電流為在每個周期內(nèi),兩組二極管輪流導(dǎo)通,各導(dǎo)電半個周期,所以每只二極管的平均電流應(yīng)為RL平均電流的一半，即在一組二極管正向?qū)ㄆ陂g,另一組二極管反向截止,其承受的最高反向電壓為變壓器次級電壓的峰值:3.指標(biāo)參數(shù)計(jì)算橋式整流電路比半波整流電路復(fù)雜,但輸出電壓脈動為半波整流電路的一半,變壓器的利用率也較高,因此橋式整流電路得到了廣泛應(yīng)用。4.特點(diǎn)知識鏈接由于整流電路只是把交流電變成了脈動的直流電。這種直流電波動很大,主要是含有許多不同幅值和頻率的交流成分。為了獲得平穩(wěn)的直流電,必須利用濾波器將交流成分濾掉。常用濾波電路有電容濾波電路、電感濾波電路和復(fù)式濾波電路等。2.2濾波電路2.2.1電容濾波電路單相橋式整流電容濾波電路由單相橋式整流電路、大容量電容C和負(fù)載電阻RL組成,如圖所示。1.電路組成2.工作原理圖2.7單相橋式整流電容濾波電路輸出電壓波形(2)接負(fù)載電阻RL的情況。在如圖2.6所示的單相橋式整流電容濾波電路中,開關(guān)S閉合。電容C兩端并上負(fù)載電阻RL后,在u2正半周和負(fù)半周,只要|u2|>uC,則VD1、VD3與VD2、VD4輪流導(dǎo)通,u2不僅為負(fù)載電阻RL供電,還對電容C充電。當(dāng)|u2|<uC,同樣,4只二極管均受反向電壓而處于截止?fàn)顟B(tài),而電容C將向負(fù)載電阻RL放電。輸出電壓波形如圖2.7所示。2.工作原理(3)特點(diǎn)。電容濾波電路雖然簡單,但輸出直流電壓的平滑程度與負(fù)載有關(guān)。當(dāng)負(fù)載減小時,放電時間常數(shù)τ=RLC減小,輸出電壓的紋波增大,所以它不適用于負(fù)載變化較大的場合。同樣不適用于負(fù)載電流較大的場合,因?yàn)楫?dāng)負(fù)載電流大(RL較小)時,只有增大電容容量,才能取得好的濾波效果。但電容容量太大,會使電容體積增大,成本上升,而且大的充電電流容易導(dǎo)致二極管損壞。2.工作原理3.主要參數(shù)(1)輸出電壓平均值Uo。經(jīng)過濾波后的輸出電壓平均值Uo得到提高。工程上,一般按下式估算Uo與U2的關(guān)系Uo=1.2U2(2)二極管的選擇。由于電容在開始充電瞬間,電流很大,所以二極管在接通電源瞬間流過較大的沖擊尖峰電流,所以在實(shí)際應(yīng)用中要求:二極管的額定電流為二極管的最高反向電壓為URM≥2U2。(3)電容的選擇。負(fù)載電阻上直流電壓平均值及其平滑程度與放電時間常數(shù)τ=RLC有關(guān)。越大,放電越慢,輸出電壓平均值越大,波形越平滑。在實(shí)際應(yīng)用中一般取式中,T為交流電源的周期電容的耐壓為UC≥2U24.整流變壓器的選擇由負(fù)載電阻RL上的直流平均電壓Uo與變壓器的關(guān)系Uo=1.2U2得出在實(shí)際應(yīng)用中考慮到二極管正向壓降及電網(wǎng)電壓的波動,變壓器次級電壓應(yīng)大于計(jì)算值的10%。一般變壓器次級電流I2取1.1~1.3倍的IL。2.2.2電感濾波電路利用電感線圈交流阻抗很大、直流電阻很小的特點(diǎn),將電感線圈與負(fù)載電阻R串聯(lián),組成電感濾波電路,如圖所示。整流電路輸出的脈動直流電壓中的直流成分在電感線圈上形成的壓降很小,而交流成分卻幾乎全都降落在電感上,負(fù)載電阻上得到平穩(wěn)的直流電壓。感量越大,電壓越平穩(wěn),濾波效果越好。但感量大會使電感體積過大,成本增加,輸出電壓下降。1.電路工作原理電感濾波電路適用于輸出電流大、負(fù)載經(jīng)常變動的場合,其缺點(diǎn)是體積大,易引起電磁干擾。2.特點(diǎn)2.2.3復(fù)式濾波電路將電容濾波電路和電感濾波電路組合起來,可獲得比單個濾波器更好的濾波效果,這就是復(fù)式濾波器。圖2.9所示為常用復(fù)式濾波電路。常見復(fù)式濾波器有Γ形和π形兩類,如圖2.10所示。圖2.9

常用復(fù)式濾波電路圖2.10

常見復(fù)式濾波器為減小負(fù)載電壓的脈動程度,在電感線圈后面串聯(lián)電容,如圖2.10(a)所示。這樣先經(jīng)過電感濾波,去掉大部分交流成分,然后經(jīng)電容濾波,濾除剩余的交流成分,使負(fù)載電阻得到一個更平滑的直流電壓,這種電路性能與電感濾波電路基本相同。1.Γ形濾波器2.π形濾波器圖2.10(b)所示為π形濾波器,在電感的前后各并聯(lián)一個電容。整流器輸出的脈動直流電先經(jīng)過電容C1濾波,再經(jīng)過電感L和電容C2濾波,使交流成分大大降低,在負(fù)載電阻上得到平滑的直流電壓。知識鏈接目前,大量電子設(shè)備所用的直流電源都是通過將電網(wǎng)220V的交流電源(市電)整流、濾波和穩(wěn)壓得到的。前面已了解了整流、濾波電路的工作原理,下面重點(diǎn)介紹串并聯(lián)型穩(wěn)壓電路及集成穩(wěn)壓器的工作原理。2.3穩(wěn)壓電路2.3.1直流穩(wěn)壓電源的組成直流穩(wěn)壓電源一般由交流電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等部分組成,如圖所示。2.3.2穩(wěn)壓電路在直流穩(wěn)壓電源中的作用及要求1.穩(wěn)壓電路在直流穩(wěn)壓電源中的作用穩(wěn)壓電路在直流穩(wěn)壓電源中的作用是克服電源波動及負(fù)荷的變化,使輸出直流電壓恒定不變。2.穩(wěn)壓電路在直流穩(wěn)壓電源中的要求(1)穩(wěn)定性好。由于輸入電壓變化而引起輸出電壓變化的程度,稱為穩(wěn)定度指標(biāo),輸出電壓的變化越小,電源的穩(wěn)定度越高。(2)輸出電阻小。負(fù)載變化時(從空載到滿載),輸出電壓Usc應(yīng)基本保持不變。穩(wěn)壓電源這方面的性能可用輸出電阻表征。輸出電阻(又稱等效內(nèi)阻)用r表示,r越小,負(fù)載變化時輸出電壓的變化也越小。性能優(yōu)良的穩(wěn)壓電源,輸出電阻可小到1Ω,甚至0.01Ω。(3)電壓溫度系數(shù)小。當(dāng)環(huán)境溫度變化時,會引起輸出電壓的漂移。良好的穩(wěn)壓電源,應(yīng)在環(huán)境溫度變化時,有效地抑制輸出電壓的漂移,保持輸出電壓穩(wěn)定。(4)輸出電壓紋波小。所謂紋波電壓,是指輸出電壓中頻率為50Hz或100Hz的交流分量,通常用有效值或峰值表示。經(jīng)過穩(wěn)壓作用,可以使整流濾波后的紋波電壓大大降低。2.3.3并聯(lián)型穩(wěn)壓電路1.結(jié)構(gòu)如圖所示為并聯(lián)型穩(wěn)壓的直流電源電路,虛線框內(nèi)為穩(wěn)壓電路,R為限流電阻,VDZ為穩(wěn)壓二極管。無論是電網(wǎng)電壓波動還是負(fù)載電阻RL的變化,并聯(lián)型穩(wěn)壓電路都能起到穩(wěn)壓作用,因?yàn)閁Z基本恒定,Uo=UZ。2.工作原理(1)當(dāng)負(fù)載電阻RL不變,而穩(wěn)壓電路的輸入電壓Ui增大時,輸出電壓Uo將上升,使加于VDZ的反向電壓略有增加。隨之流過VDZ的電流大大增強(qiáng),IR=IZ+IL增加很多,所以在限流電阻R上的壓降IRR增加,使得Ui的增量絕大部分降落在R上,從而使輸出電壓Uo基本維持不變。反之,當(dāng)Ui下降時,IR減小,R上的壓降減小,故也能基本維持輸出電壓不變。(2)輸入電壓Ui不變,而IL增大(RL變小)時,總電流IR增大,從而造成輸出電壓下降。但由于VDZ的端電壓Uo略有下降,而流過VDZ的電流IZ卻大大減小,IL的增加部分幾乎和IZ的減小部分相等,使總電流幾乎不變,因而保持了輸出電壓的穩(wěn)定。由此可見,在穩(wěn)壓電路中,穩(wěn)壓二極管起著電流控制作用,無論是輸出電流變化(負(fù)載變化)還是輸入電壓變化,都將引起IZ較大的改變,并通過限流電阻產(chǎn)生調(diào)壓作用,從而使輸出電壓穩(wěn)定。在實(shí)際使用中,上述兩個調(diào)整過程是同時存在且同時進(jìn)行的。3.特點(diǎn)并聯(lián)型穩(wěn)壓電路可以使輸出電壓穩(wěn)定,但穩(wěn)壓值不能隨意調(diào)節(jié),而且輸出電流很小。2.3.4串聯(lián)型穩(wěn)壓電路1.結(jié)構(gòu)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路包括四大部分,其組成框圖如圖所示。2.工作原理并聯(lián)型穩(wěn)壓電路可以使輸出電壓穩(wěn)定,但穩(wěn)壓值不能隨意調(diào)節(jié),而且輸出電流很小,為了加大輸出電流使輸出電壓可調(diào)節(jié),常用串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路,如圖2.14所示。串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路是具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,電路中VT1為調(diào)整管,它與負(fù)載串聯(lián),起電壓調(diào)整作用。VT2為比較放大管,R4是它的集電極電阻,VT2的作用是將電路輸出電壓的取樣值和基準(zhǔn)電壓比較后進(jìn)行放大,送到VT1進(jìn)行輸出電壓的調(diào)整。這樣,只要輸出電壓有一點(diǎn)微小的變化,就能引起VT1的UCE發(fā)生較大的變化,從而提高穩(wěn)壓電路的靈敏度,改善穩(wěn)壓效果。圖2.14

串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路3.特點(diǎn)串聯(lián)型穩(wěn)壓電源工作電流較大,輸出電壓一般可連續(xù)調(diào)節(jié),穩(wěn)壓性能優(yōu)越。目前已經(jīng)使用這種穩(wěn)壓電源制成了單片集成電路,廣泛應(yīng)用在各種電子儀器和電子電路中。串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是損耗較大、效率低。2.3.5集成穩(wěn)壓器1.概述將串聯(lián)型穩(wěn)壓電源和各種保護(hù)電路集成在一起就得到了集成穩(wěn)壓器。早期的集成穩(wěn)壓器外引腳較多,現(xiàn)在的集成穩(wěn)壓器只有三個外引腳:輸入端、輸出端和公共端。它的電路符號如2.15所示,外形如圖2.16所示。要特別注意,不同型號、不同封裝的集成穩(wěn)壓器,它們?nèi)齻€電極的位置是不同的,要查手冊確定。其組成框圖如圖所示。圖2.15

集成穩(wěn)壓器的電路符號圖2.16

集成穩(wěn)壓器的外形2.三端集成穩(wěn)壓器的分類三端集成穩(wěn)壓器有如下幾種。(1)三端固定正輸出集成穩(wěn)壓器。國標(biāo)型號為CW78(1.5A)、CW78M(0.5A)、CW78L(0.1A)。(2)三端固定負(fù)輸出集成穩(wěn)壓器。國標(biāo)型號為CW79(1.5A)、CW79M(0.5A)、CW79L(0.1A)。(3)三端可調(diào)正輸出集成穩(wěn)壓器。國標(biāo)型號為CW117、CW117M、CW117L(為軍品級,工作溫度范圍為-55~150℃);CW217、CW217M、CW217L(為工業(yè)品級,工作溫度范圍為-25~150℃);CW317、CW317M、CW317L(為民品級,工作溫度范圍為0~125℃)。(4)三端可調(diào)負(fù)輸出集成穩(wěn)壓器。國標(biāo)型號為CW137、CW137M、CW137L、CW237、CW237M、CW237L、CW337、CW337M、CW337L。3.應(yīng)用電路三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖2.17所示,三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖2.18所示。在三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部,其輸出端和公共端之間的參考電壓是1.25V,因此輸出電壓可通過電位器調(diào)節(jié)得到,即知識拓展為解決串聯(lián)型穩(wěn)壓電源損耗大、效率低的缺點(diǎn),研制了開關(guān)型穩(wěn)壓電源。開關(guān)型穩(wěn)壓電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài),具有功耗小、效率高、體積小、質(zhì)量小等特點(diǎn),現(xiàn)在開關(guān)型穩(wěn)壓電源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種電子電路中。開關(guān)型穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是紋波較大,用于小信號放大器時,還應(yīng)采用第二級穩(wěn)壓措施。2.4開關(guān)型穩(wěn)壓電源2.4.1開關(guān)型穩(wěn)壓電路開關(guān)型穩(wěn)壓電源的原理可用如圖所示的開關(guān)型穩(wěn)壓電路加以說明。它由調(diào)整管、濾波電路、比較器、三角波發(fā)生器、比較放大器和基準(zhǔn)電壓等部分構(gòu)成。2.4.2開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理三角波發(fā)生器通過比較器產(chǎn)生一個方波uB,控制調(diào)整管的通斷。當(dāng)調(diào)整管導(dǎo)通時,向電感充電。當(dāng)調(diào)整管截止時,必須給電感中的電流提供一個泄放通路。續(xù)流二極管VD即可起到這個作用,有利于保護(hù)調(diào)整管。由圖2.19可知,當(dāng)三角波的幅度小于比較放大器的輸出時,比較器輸出高電平,對應(yīng)調(diào)整管的導(dǎo)通時間為ton;反之為低電平,對應(yīng)調(diào)整管的截止時間為toff。為穩(wěn)定輸出電壓,應(yīng)按電壓負(fù)反饋方式引入反饋,設(shè)輸出電壓增大,FUo增大,比較放大器的輸出電壓uF減小,比較器方波輸出toff增加,調(diào)整管導(dǎo)通時間ton減小,輸出電壓減小,起到穩(wěn)壓作用。其穩(wěn)壓過程如下:知識拓展面包板是專為電子電路的無焊接實(shí)訓(xùn)而設(shè)計(jì)制造的。由于各種電子元器件可以根據(jù)需要隨意插入或拔出,免去焊接操作,節(jié)省了電路的組裝時間,而且可以重復(fù)使用,所以面包板非常適合電子電路的組裝、調(diào)試與訓(xùn)練。2.5面包板的使用1.面包板的結(jié)構(gòu)面包板實(shí)際上是具有許多小插孔的塑料插板,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.20所示,每塊插板中央都有一個凹槽,凹槽兩邊各有縱向排列的多列插孔,每5個插孔為一組,各列插孔之間的間距為0.1英寸(2.54mm),與雙列直插式封裝的集成電路的引腳間距一致。每列5個插孔中有金屬簧片連通,列與列之間在電氣上互不相通。面包板的上、下邊各有一排(或兩排)橫向插孔,每排橫向插孔分為若干段(一般是2~3段),每段內(nèi)部在電氣上是相通的,一般可用作電源線和地線的插孔。圖2.20

面包板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.元器件與集成電路的安裝(1)在安裝分立元器件時,應(yīng)便于看到其極性和標(biāo)志,將元器件引腳理直后,在需要的地方折彎。為防止裸露的引腳短路,必須使用帶套管的導(dǎo)線,一般不剪斷元器件引腳,以便重復(fù)使用。通常不插入引腳