《电子应用技术项目教程（第4版）》课件 项目2直流稳压电源的制作

直流稳压电源的制作目录学习目标工作任务知识链接知识拓展知识小结学习目标1.能完成直流稳压电源电路的测试与维修。2.能完成直流稳压电源电路的设计与制作。知识目标能力目标了解半导体的基本知识,熟悉二极管、三极管的结构及特性;掌握桥式整流电路的组成、原理及正确接法;了解电容及电感滤波的原理;掌握硅稳压管稳压电路的组成与工作原理;了解串联型稳压电路的组成与原理;掌握三端集成稳压器的应用。返回素质目标1.培养创新意识,提升电子产品创新的专业能力。2.培养班组管理、团队组织能力。直流稳压电源的制作工作任务1.实训目标

（1）增强专业意识,培养良好的职业道德和职业习惯。（2）能借助资料读懂固定输出式稳压集成块芯片的型号,明确各引脚功能。（3）了解固定输出式直流稳压电源电路的检测方法。（4）学会+5V直流稳压电源的制作方法。（1）各小组制定工作计划。（2）读懂直流稳压电源电路原理图，明确元器件连接和电路连线。（3）画出装配图。（4）完成电路所需元器件的检测。（5）根据装配图制作直流稳压电源电路。（6）完成直流稳压电源电路功能检测和故障排除。（7）通过小组讨论完成电路详细分析并撰写任务工单。2.任务要求3.电路工作原理利用交流变压器T把220V(有效值)、50Hz的交流电降压,得到12V的交流电,通过VD1～VD4四只二极管组成的全波整流电路,把交流电整流成直流电,经过电容C滤波,把信号送给三端稳压器LM7805,经过稳压作用,得到稳定的+5V直流电压,得到一个电压横波系数很小的+5V直流电。4.实训设备与元器件

（1）实训设备：模拟电路实验装置1台，万用表一台，示波器一台。

（2）元器件需求明细表5.电路安装

先根据图2.1画出+5V直流稳压电源电路原理图,然后根据原理图画出PCB(印刷电路板)图和装配图,再根据装配图按正确方法插好IC芯片,并连接线路。电路可以连接在自制的PCB上,也可以焊接在万能板上,或者通过“面包板”插接。下图所示为焊接在万能板上的+5V直流稳压电源电路装配图。6.电路调试、记录测试结果

+5V直流稳压电源的调试。用示波器观察整流、滤波及稳压波形;用直流电压表测量各输出点的直流电压,测试结果记录在表中。7.评价反馈

评分表(与项目1任务工单的评分表一样)。由于电网系统供给的电源都是交流电,而电子设备需要稳定的直流电源供电才能正常工作,因此必须将交流电变换成直流电,这一过程称为整流。本节主要介绍单相半波整流电路和单相桥式整流电路。知识链接2.1二极管整流电路2.1.1单相半波整流电路如图所示为单相半波整流电路,Tr为电源变压器,VD为整流二极管,RL为负载电阻。图(b)所示为单相半波整流电路的波形图。1.电路组成设变压器次级电压为式中,U2为变压器次级电压有效值。在U2的正半周(0~π),假定变压器次级绕组的极性是上“+”下“-”,则二极管VD承受正向电压导通,此时有电流i0(i0=iV)流过RL,其压降为u0=i0RL,如果忽略VD的管压降uV,则u0≈u2,RL上的电压u0与u2基本相等。在u2的负半周(π~2π),变压器次级绕组的极性变为上“-”下“+”,VD承受反向电压截止,此时电流i0≈0,负载上的电u0≈0,变压器上的电压u2以反向全部加到VD上。第二个周期开始又重复上述过程。电源变压器次级电压u2是交流电,但经VD变换后,RL上的电压实际方向始终没有改变,即得到的电压是直流电压。由于在一个周期内,VD导通半个周期,RL只获得半个周期的电压,故称为半波整流。2.工作原理RL上获得的是脉动直流电压,其大小用平均值U0来衡量:流过RL的平均电流为流过VD的平均电流与流过RL的平均电流相等,故VD反向截止时承受的最高反向电压等于变压器次级电压的最大值,所以3.指标参数计算单相半波整流电路结构简单、元器件少,但输出电流脉动很大,变压器利用率低。因此单相半波整流电路仅适用于要求不高的场合。4.特点2.1.2单相桥式整流电路单相桥式整流电路由整流变压器、4只二极管和负载电阻组成。如图所示为单相桥式整流电路的三种画法。1.电路组成在U2的正半周(0~π),二极管VD1、VD3承受正向电压导通,VD2、VD4承受反向电压截止,电流i0从变压器次级a端经VD1、RL、VD3回到b端,电流在负载电阻RL上产生压降u0。如果忽略VD1、VD3的管压降,则u0=u2。在u2的负半周(π~2π),VD1、VD3反向截止,VD2、VD4承受正向电压导通,电流i0从变压器次级b端开始经VD2、RL、VD4回到a端。若忽略VD2、VD4的管压降,则u0=-u2。可见,在u2的一个周期内,VD1、VD3和VD2、VD4轮流导通,流过RL的电流i0的方向始终不变,电压为单方向的脉动直流电压。桥式整流电路波形如图所示。2.工作原理RL的平均电压为平均电流为在每个周期内,两组二极管轮流导通,各导电半个周期,所以每只二极管的平均电流应为RL平均电流的一半，即在一组二极管正向导通期间,另一组二极管反向截止,其承受的最高反向电压为变压器次级电压的峰值:3.指标参数计算桥式整流电路比半波整流电路复杂,但输出电压脉动为半波整流电路的一半,变压器的利用率也较高,因此桥式整流电路得到了广泛应用。4.特点知识链接由于整流电路只是把交流电变成了脉动的直流电。这种直流电波动很大,主要是含有许多不同幅值和频率的交流成分。为了获得平稳的直流电,必须利用滤波器将交流成分滤掉。常用滤波电路有电容滤波电路、电感滤波电路和复式滤波电路等。2.2滤波电路2.2.1电容滤波电路单相桥式整流电容滤波电路由单相桥式整流电路、大容量电容C和负载电阻RL组成,如图所示。1.电路组成2.工作原理图2.7单相桥式整流电容滤波电路输出电压波形(2)接负载电阻RL的情况。在如图2.6所示的单相桥式整流电容滤波电路中,开关S闭合。电容C两端并上负载电阻RL后,在u2正半周和负半周,只要|u2|>uC,则VD1、VD3与VD2、VD4轮流导通,u2不仅为负载电阻RL供电,还对电容C充电。当|u2|<uC,同样,4只二极管均受反向电压而处于截止状态,而电容C将向负载电阻RL放电。输出电压波形如图2.7所示。2.工作原理(3)特点。电容滤波电路虽然简单,但输出直流电压的平滑程度与负载有关。当负载减小时,放电时间常数τ=RLC减小,输出电压的纹波增大,所以它不适用于负载变化较大的场合。同样不适用于负载电流较大的场合,因为当负载电流大(RL较小)时,只有增大电容容量,才能取得好的滤波效果。但电容容量太大,会使电容体积增大,成本上升,而且大的充电电流容易导致二极管损坏。2.工作原理3.主要参数(1)输出电压平均值Uo。经过滤波后的输出电压平均值Uo得到提高。工程上,一般按下式估算Uo与U2的关系Uo=1.2U2(2)二极管的选择。由于电容在开始充电瞬间,电流很大,所以二极管在接通电源瞬间流过较大的冲击尖峰电流,所以在实际应用中要求:二极管的额定电流为二极管的最高反向电压为URM≥2U2。(3)电容的选择。负载电阻上直流电压平均值及其平滑程度与放电时间常数τ=RLC有关。越大,放电越慢,输出电压平均值越大,波形越平滑。在实际应用中一般取式中,T为交流电源的周期电容的耐压为UC≥2U24.整流变压器的选择由负载电阻RL上的直流平均电压Uo与变压器的关系Uo=1.2U2得出在实际应用中考虑到二极管正向压降及电网电压的波动,变压器次级电压应大于计算值的10%。一般变压器次级电流I2取1.1~1.3倍的IL。2.2.2电感滤波电路利用电感线圈交流阻抗很大、直流电阻很小的特点,将电感线圈与负载电阻R串联,组成电感滤波电路,如图所示。整流电路输出的脉动直流电压中的直流成分在电感线圈上形成的压降很小,而交流成分却几乎全都降落在电感上,负载电阻上得到平稳的直流电压。感量越大,电压越平稳,滤波效果越好。但感量大会使电感体积过大,成本增加,输出电压下降。1.电路工作原理电感滤波电路适用于输出电流大、负载经常变动的场合,其缺点是体积大,易引起电磁干扰。2.特点2.2.3复式滤波电路将电容滤波电路和电感滤波电路组合起来,可获得比单个滤波器更好的滤波效果,这就是复式滤波器。图2.9所示为常用复式滤波电路。常见复式滤波器有Γ形和π形两类,如图2.10所示。图2.9

常用复式滤波电路图2.10

常见复式滤波器为减小负载电压的脉动程度,在电感线圈后面串联电容,如图2.10(a)所示。这样先经过电感滤波,去掉大部分交流成分,然后经电容滤波,滤除剩余的交流成分,使负载电阻得到一个更平滑的直流电压,这种电路性能与电感滤波电路基本相同。1.Γ形滤波器2.π形滤波器图2.10(b)所示为π形滤波器,在电感的前后各并联一个电容。整流器输出的脉动直流电先经过电容C1滤波,再经过电感L和电容C2滤波,使交流成分大大降低,在负载电阻上得到平滑的直流电压。知识链接目前,大量电子设备所用的直流电源都是通过将电网220V的交流电源(市电)整流、滤波和稳压得到的。前面已了解了整流、滤波电路的工作原理,下面重点介绍串并联型稳压电路及集成稳压器的工作原理。2.3稳压电路2.3.1直流稳压电源的组成直流稳压电源一般由交流电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等部分组成,如图所示。2.3.2稳压电路在直流稳压电源中的作用及要求1.稳压电路在直流稳压电源中的作用稳压电路在直流稳压电源中的作用是克服电源波动及负荷的变化,使输出直流电压恒定不变。2.稳压电路在直流稳压电源中的要求(1)稳定性好。由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度,称为稳定度指标,输出电压的变化越小,电源的稳定度越高。(2)输出电阻小。负载变化时(从空载到满载),输出电压Usc应基本保持不变。稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。输出电阻(又称等效内阻)用r表示,r越小,负载变化时输出电压的变化也越小。性能优良的稳压电源,输出电阻可小到1Ω,甚至0.01Ω。(3)电压温度系数小。当环境温度变化时,会引起输出电压的漂移。良好的稳压电源,应在环境温度变化时,有效地抑制输出电压的漂移,保持输出电压稳定。(4)输出电压纹波小。所谓纹波电压,是指输出电压中频率为50Hz或100Hz的交流分量,通常用有效值或峰值表示。经过稳压作用,可以使整流滤波后的纹波电压大大降低。2.3.3并联型稳压电路1.结构如图所示为并联型稳压的直流电源电路,虚线框内为稳压电路,R为限流电阻,VDZ为稳压二极管。无论是电网电压波动还是负载电阻RL的变化,并联型稳压电路都能起到稳压作用,因为UZ基本恒定,Uo=UZ。2.工作原理(1)当负载电阻RL不变,而稳压电路的输入电压Ui增大时,输出电压Uo将上升,使加于VDZ的反向电压略有增加。随之流过VDZ的电流大大增强,IR=IZ+IL增加很多,所以在限流电阻R上的压降IRR增加,使得Ui的增量绝大部分降落在R上,从而使输出电压Uo基本维持不变。反之,当Ui下降时,IR减小,R上的压降减小,故也能基本维持输出电压不变。(2)输入电压Ui不变,而IL增大(RL变小)时,总电流IR增大,从而造成输出电压下降。但由于VDZ的端电压Uo略有下降,而流过VDZ的电流IZ却大大减小,IL的增加部分几乎和IZ的减小部分相等,使总电流几乎不变,因而保持了输出电压的稳定。由此可见,在稳压电路中,稳压二极管起着电流控制作用,无论是输出电流变化(负载变化)还是输入电压变化,都将引起IZ较大的改变,并通过限流电阻产生调压作用,从而使输出电压稳定。在实际使用中,上述两个调整过程是同时存在且同时进行的。3.特点并联型稳压电路可以使输出电压稳定,但稳压值不能随意调节,而且输出电流很小。2.3.4串联型稳压电路1.结构串联型稳压电路包括四大部分,其组成框图如图所示。2.工作原理并联型稳压电路可以使输出电压稳定,但稳压值不能随意调节,而且输出电流很小,为了加大输出电流使输出电压可调节,常用串联型晶体管稳压电路,如图2.14所示。串联型晶体管稳压电路是具有放大环节的串联型稳压电路,电路中VT1为调整管,它与负载串联,起电压调整作用。VT2为比较放大管,R4是它的集电极电阻,VT2的作用是将电路输出电压的取样值和基准电压比较后进行放大,送到VT1进行输出电压的调整。这样,只要输出电压有一点微小的变化,就能引起VT1的UCE发生较大的变化,从而提高稳压电路的灵敏度,改善稳压效果。图2.14

串联型晶体管稳压电路3.特点串联型稳压电源工作电流较大,输出电压一般可连续调节,稳压性能优越。目前已经使用这种稳压电源制成了单片集成电路,广泛应用在各种电子仪器和电子电路中。串联型稳压电源的缺点是损耗较大、效率低。2.3.5集成稳压器1.概述将串联型稳压电源和各种保护电路集成在一起就得到了集成稳压器。早期的集成稳压器外引脚较多,现在的集成稳压器只有三个外引脚:输入端、输出端和公共端。它的电路符号如2.15所示,外形如图2.16所示。要特别注意,不同型号、不同封装的集成稳压器,它们三个电极的位置是不同的,要查手册确定。其组成框图如图所示。图2.15

集成稳压器的电路符号图2.16

集成稳压器的外形2.三端集成稳压器的分类三端集成稳压器有如下几种。(1)三端固定正输出集成稳压器。国标型号为CW78(1.5A)、CW78M(0.5A)、CW78L(0.1A)。(2)三端固定负输出集成稳压器。国标型号为CW79(1.5A)、CW79M(0.5A)、CW79L(0.1A)。(3)三端可调正输出集成稳压器。国标型号为CW117、CW117M、CW117L(为军品级,工作温度范围为-55~150℃);CW217、CW217M、CW217L(为工业品级,工作温度范围为-25~150℃);CW317、CW317M、CW317L(为民品级,工作温度范围为0~125℃)。(4)三端可调负输出集成稳压器。国标型号为CW137、CW137M、CW137L、CW237、CW237M、CW237L、CW337、CW337M、CW337L。3.应用电路三端固定输出集成稳压器的典型应用电路如图2.17所示,三端可调输出集成稳压器的典型应用电路如图2.18所示。在三端可调输出集成稳压器的内部,其输出端和公共端之间的参考电压是1.25V,因此输出电压可通过电位器调节得到,即知识拓展为解决串联型稳压电源损耗大、效率低的缺点,研制了开关型稳压电源。开关型稳压电源的调整管工作在开关状态,具有功耗小、效率高、体积小、质量小等特点,现在开关型稳压电源已经广泛应用于各种电子电路中。开关型稳压电源的缺点是纹波较大,用于小信号放大器时,还应采用第二级稳压措施。2.4开关型稳压电源2.4.1开关型稳压电路开关型稳压电源的原理可用如图所示的开关型稳压电路加以说明。它由调整管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准电压等部分构成。2.4.2开关型稳压电路的工作原理三角波发生器通过比较器产生一个方波uB,控制调整管的通断。当调整管导通时,向电感充电。当调整管截止时,必须给电感中的电流提供一个泄放通路。续流二极管VD即可起到这个作用,有利于保护调整管。由图2.19可知,当三角波的幅度小于比较放大器的输出时,比较器输出高电平,对应调整管的导通时间为ton;反之为低电平,对应调整管的截止时间为toff。为稳定输出电压,应按电压负反馈方式引入反馈,设输出电压增大,FUo增大,比较放大器的输出电压uF减小,比较器方波输出toff增加,调整管导通时间ton减小,输出电压减小,起到稳压作用。其稳压过程如下:知识拓展面包板是专为电子电路的无焊接实训而设计制造的。由于各种电子元器件可以根据需要随意插入或拔出,免去焊接操作,节省了电路的组装时间,而且可以重复使用,所以面包板非常适合电子电路的组装、调试与训练。2.5面包板的使用1.面包板的结构面包板实际上是具有许多小插孔的塑料插板,其内部结构如图2.20所示,每块插板中央都有一个凹槽,凹槽两边各有纵向排列的多列插孔,每5个插孔为一组,各列插孔之间的间距为0.1英寸(2.54mm),与双列直插式封装的集成电路的引脚间距一致。每列5个插孔中有金属簧片连通,列与列之间在电气上互不相通。面包板的上、下边各有一排(或两排)横向插孔,每排横向插孔分为若干段(一般是2~3段),每段内部在电气上是相通的,一般可用作电源线和地线的插孔。图2.20

面包板的内部结构2.元器件与集成电路的安装(1)在安装分立元器件时,应便于看到其极性和标志,将元器件引脚理直后,在需要的地方折弯。为防止裸露的引脚短路,必须使用带套管的导线,一般不剪断元器件引脚,以便重复使用。通常不插入引脚