1、项目一 直流稳压电源的制作与调试1.1 项目描述1.2 知识链接1.3 项目实施1.4 项目总结项目一项目一 直流稳压电源的制作与调试直流稳压电源的制作与调试项目一 直流稳压电源的制作与调试直流稳压电源的种类很多，本项目只涉及单相小功率(通常在1000 W以下)直流稳压电源，它的任务是将200 V/50 Hz的交流市电转换为幅值稳定的直流电压，这种电源一般主要由变压环节、整流环节、滤波环节和稳压环节四部分组成，其组成框图如图1-1所示。在框图的每一部分下方画出了信号经各环节处理过的波形，这些波形只是为了便于说明各部分的功能，在实际电路中有的波形可能与图中不同。1.1 项项 目目 描描 述述项目
2、一 直流稳压电源的制作与调试图1-1 直流稳压电源组成框图项目一 直流稳压电源的制作与调试直流稳压电源各部分作用如下：变压环节：利用工频变压器，将电网电压变换为所需要的交流电压，一般采用降压变压器来实现。整流环节：利用二极管或晶闸管的单向导电性，把交流电变换为单一方向的脉动直流电，常采用二极管整流电路来实现。滤波环节：将脉动直流电压中的脉动成分加以滤除，得到比较平滑的直流电压，常采用电容、电感或其组合电路来实现。稳压环节：在电网电压波动和负载变化时，保持直流输出电压的稳定，小功率稳压电源常采用集成三端稳压器来实现。项目一 直流稳压电源的制作与调试1.1.1 项目学习情境：项目学习情境：1.5
3、V30 V可调直流稳压电源电路的可调直流稳压电源电路的制作与调试制作与调试图1-2所示为1.5 V30 V可调直流稳压电源电路的原理图，该电路由变压环节、整流环节、滤波环节和稳压环节四部分组成。本项目需要完成的主要任务是：搭接、测试整流电路；搭接、测试滤波电路；搭接、测试稳压电路；整机调试。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-2 1.5 V30 V可调直流稳压电源电路原理图项目一 直流稳压电源的制作与调试1.1.2 电路元器件参数及功能电路元器件参数及功能1.5 V30 V可调直流稳压电源电路元器件参数及功能如表1-1所示。项目一 直流稳压电源的制作与调试表表1-1 1.5 V30 V可调直
4、流稳压电源电路元器件参数及功能表可调直流稳压电源电路元器件参数及功能表项目一 直流稳压电源的制作与调试要完成项目任务需要具备一定的理论基础知识，表1-2列出了项目一各项任务对应的相关知识点。变压器的相关知识在电路分析基础中已经学过，因此变压环节在这里不作太多的涉及，而整流环节的核心元件是半导体二极管，因此下面将从半导体基础知识开始展开直流稳压电源相关理论知识的学习。1.2 知知 识识 链链 接接项目一 直流稳压电源的制作与调试表表1-2 项目一各项任务链接知识点项目一各项任务链接知识点项目一 直流稳压电源的制作与调试1.2.1 半导体基础知识半导体基础知识自然界的物质按导电性能来分，可分为导体
5、、绝缘体和半导体，其中我们常见的铜、铁、铝等金属材料都是良好的导体，而陶瓷、水泥、橡胶等都是良好的绝缘体。半导体是导电能力介于导体与绝缘体之间的一类物质，常用的半导体材料有硅(Si)和锗(Ge)等。一、一、半导体的内部结构半导体的内部结构常用的半导体材料硅(Si)和锗(Ge)的原子及一般半导体结构示意图如图1-3所示，其原子最外层都只有4个价电子。纯净的半导体材料为了达到原子外层有8个价电子的稳定状态，原子与原子之间采用外层电子共享的方式构成共价键，形成按一定规则整齐排列的半导体晶体结构，其晶体结构示意图如图1-4所示。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-3 硅和锗原子及一般半导体结构示意图
6、项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-4 半导体晶体结构示意图项目一 直流稳压电源的制作与调试二、二、半导体的类型及其特征半导体的类型及其特征1.本征半导体本征半导体纯净的不含任何杂质、晶体结构排列整齐的半导体称为本征半导体。本征半导体在不受外界激发以及在绝对零度(T=0 K)时不导电，但当受到阳光照射或温度升高时，将有少量价电子获得足够的能量，从而克服共价键的束缚而成为自由电子，并在原来共价键的位置上留下一个空位，称为空穴。自由电子带负电，空穴带正电，自由电子和空穴像一对孪生姐妹一样相伴而生，被称为半导体内部的两种载流子，本征半导体会在这两种载流子的作用下导电。我们把这种产生电子-空穴对的过
7、程称为本征激发，如图1-5所示。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-5 半导体本征激发示意图项目一 直流稳压电源的制作与调试2.杂质半导体杂质半导体1)N型半导体 N型半导体指在本征硅(或锗)中掺入少量的五价元素，如磷、砷、锑等。由于五价元素外层有5个价电子，它与四价元素形成共价键时，多出一个价电子，该价电子只受到本身原子核的束缚，很容易摆脱原子核的束缚而成为自由电子，因此N型半导体内部自由电子的数目大于空穴的数目。在N型半导体内部，由于自由电子是多数载流子，我们将其称为多子，空穴是少数载流子，我们将其称为少子，其结构示意图如图1-6所示。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-6 N型半导体
8、结构示意图项目一 直流稳压电源的制作与调试2)P型半导体 P型半导体指在本征硅(或锗)中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等。三价元素外层有3个价电子，它与四价元素形成共价键时，少了一个价电子，因此P型半导体内部空穴的数目要大于自由电子的数目。在P型半导体内部，由于空穴是多数载流子，我们将其称为多子，自由电子是少数载流子，我们将其称为少子，其结构示意图如图1-7所示。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-7 P型半导体结构示意图项目一 直流稳压电源的制作与调试三、三、PN结结1.PN结的形成结的形成将一块P型半导体和一块N型半导体利用特殊工艺紧密的有机结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧自
9、由电子多，所以在它们的交界面处存在空穴和自由电子的浓度差；于是N区中的自由电子会向P区扩散，并在P区与空穴复合，而P区中的空穴也会向N区扩散，并在N区被自由电子复合，即产生了多子的扩散；结果在交界面的两侧就形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区，建立了内电场，内电场的方向是由N区指向P区。项目一 直流稳压电源的制作与调试在内电场的作用下，促使P区的自由电子向N区漂移，N区的空穴向P区漂移，同时，抑制N区的自由电子向P区扩散，P区的空穴向N区扩散，即内电场有阻碍多子扩散、促进少子漂移的作用。最后，因浓度差而产生的扩散力被电场力所抵消，使扩散运动和漂移运动在某一时刻达到动态平衡，这时，虽然扩散运动
10、和漂移运动仍在不断进行，但通过交界面处的空穴数目和自由电子数目相等，使空间电荷区的宽度稳定，即形成耗尽层，将其称为PN结。此时，PN结的内电势UB保持不变，对于硅材料来说约为0.5 V0.7 V，对于锗材料来说约为0.1 V0.3 V。PN结的形成示意图如图1-8所示，其中图1-8(a)为PN结的形成过程，图1-8(b)为PN结的稳定过程。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-8 PN结的形成示意图项目一 直流稳压电源的制作与调试2.PN结的特性结的特性研究PN结的特性可以通过图1-9所示的两个测试电路分析得出。(1)PN结加正向电压。使P区电位高于N区电位的接法，称为PN结加正向电压或PN结
11、处于正向偏置状态(简称正偏)，如图1-9(a)所示。测试发现，施加正向电压，当电压很低时，正向电流很小，几乎为零。当正向电压超过一定数值后，电流增长得很快，这时我们认为PN结正向导通，这个一定数值的正向电压称为PN结的死区电压或开启电压，用Uon表示，其大小与材料及环境温度有关。通常，硅材料PN结的Uon约为0.5 V，锗材料PN结的Uon约为0.1 V。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-9 PN结的特性测试电路项目一 直流稳压电源的制作与调试(2)PN结加反向电压。使P区电位低于N区电位的接法，称为PN结加反向电压或PN结处于反向偏置状态(简称反偏)，如图1-9(b)所示。测试发现，当施
12、加反向电压时，形成很小的反向电流，这时我们认为PN结反向截止。反向电流有两个特点：一是它随温度的上升而增大；二是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，与反向电压的高低无关，故通常称该电流为反向饱和电流。当外加反向电压过高时，反向电流急剧增大，这种现象称PN结被反向击穿，击穿时加在PN结上的反向电压称为反向击穿电压。当反向击穿电压较小时，若加在PN结两端的反向电压降低后，PN结仍可恢复到原来的状态而不会造成永久损坏；但当反向击穿电压较大时，就可能永久损坏PN结。项目一 直流稳压电源的制作与调试1.2.2 半导体二极管半导体二极管一、一、半导体二极管的结构半导体二极管的结构半导体二极
13、管是由PN结加上电极引线和管壳构成的，其外形多种多样，几种常见的二极管如图1-10所示。二极管的结构通常有点接触型、面接触型及平面型等几种类型，不同类型二极管的结构示意图及二极管的图形符号如图1-11所示，其中图(a)为点接触型，图(b)为面接触型，图(c)为平面型，图(d)为二极管图形符号，图形符号中由P区接出的引线称为二极管的正极(或阳极)，由N区接出的引线称为二极管的负极(或阴极)。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-10 几种常见晶体二极管的外形项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-11 不同类型二极管的结构示意图及图形符号项目一 直流稳压电源的制作与调试二、二、半导体二极管的特性半
14、导体二极管的特性半导体二极管的核心是PN结，因此二极管的特性与PN结的特性基本一致，即具有单向导电性。用实验的方法，在二极管的阳极和阴极两端加上不同极性和不同数值的电压，同时测量流过二极管的电流值，就可得到二极管的伏安特性曲线，该曲线是非线性的。普通二极管的典型伏安特性曲线如图1-12所示。项目一 直流稳压电源的制作与调试图 1-12 普通二极管的典型伏安特性曲线项目一 直流稳压电源的制作与调试正向曲线和反向曲线反映出来的特性如下：(1)正向特性。二极管加正向电压，若开始时正向电压很小，则正向电流也很小(几乎为零)，只有正向电压超过某一数值时，才有明显的正向电流，这时称二极管正向导通。这一电压
15、称为二极管的导通电压或死区电压，用UT表示。在室温下，硅管的UT约为0.5 V，锗管的UT约为0.1 V。正向导通且电流不大时，硅管的正向压降约为0.6 V0.8 V，锗管的正向压降约为0.1 V0.3 V。两种管子的差别是由于硅材料PN结的死区电压比锗材料PN结的死区电压大。项目一 直流稳压电源的制作与调试(2)反向特性。二极管加反向电压，由于表面漏电流的影响，二极管的反向电流要比理想PN结的反向电流大得多。当反向电压加大时，反向电流也略有增大，但当反向电压增大到一定程度时，反向电流不再增大，称此时的反向电流为反向饱和电流。对于小功率二极管，其反向电流仍很小，硅管一般小于0.1 A，锗管小于
16、几十微安。当反向电压继续增大到一定值以后，反向电流会急剧增加，这种现象称二极管被反向击穿。反向击穿后有可能会造成PN结损坏(烧毁)，但只要反向击穿电压不超过一定值，PN结就不会损坏，稳压二极管就是利用这一特性制作的。项目一 直流稳压电源的制作与调试三、三、半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数器件的参数是定量描述器件性能质量和安全工作范围的重要数据，是合理选择和正确使用器件的依据。器件参数一般可以从产品手册中查到，也可以通过测量得到。下面介绍二极管的3个主要参数。1.最大整流电流最大整流电流IFIF指二极管长时间工作时，允许通过的最大正向平均电流。实际应用时，流过二极管的平均电流不能超过
17、此值，否则发热量过大会造成二极管损坏。项目一 直流稳压电源的制作与调试2.最高反向工作电压最高反向工作电压URMURM指为保证二极管不被反向击穿所允许施加在二极管上的最高反向电压。通常取其击穿电压的1/31/2作为最高反向工作电压URM。3.反向电流反向电流IRIR指在常温下，二极管两端加上规定的反向电压时出现的电流。其数值越小，表明二极管的单向导电性越好。除了上述3个主要参数外，二极管还有一些其他的参数，如交流电阻rd、工作温度ti、最高工作频率fM等，使用时可以查阅电子元器件手册。项目一 直流稳压电源的制作与调试四、四、其他类型的二极管其他类型的二极管1.稳压二极管稳压二极管稳压二极管是利
18、用PN结反向击穿后具有稳压特性而制作的二极管，稳压二极管的图形符号、伏安特性曲线和实物图片如图1-13所示。由图1-13(b)可见，它的正、反向特性与普通二极管基本相同，区别仅在于击穿后的特性曲线比普通二极管变得更加陡峭，即电流在很大范围内变化时(IZminIIZmax)，其两端电压几乎不变,因此，稳压二极管被反向击穿后可以实现稳定电压的作用。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-13 稳压二极管的图形符号、伏安特性曲线和实物图项目一 直流稳压电源的制作与调试2.变容二极管变容二极管给PN结加反向电压时，PN结上会呈现出势垒电容，该电容值随着反向电压的增大而减小。利用这一特性制作的二极管称为变
19、容二极管，变容二极管的图形符号和实物图片如图1-14所示。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-14 变容二极管图形符号及实物图片项目一 直流稳压电源的制作与调试3.光电二极管光电二极管光电二极管是一种将光信号转换为电信号的半导体器件。目前广泛应用于自动探测、光电转换和控制等装置中，它的图形符号和实物图片如图1-15所示。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-15 光电二极管图形符号及实物图片项目一 直流稳压电源的制作与调试4.发光二极管发光二极管发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。发光二极管和普通二极管一样，管芯是由PN结组成的，具有单向导电性，它的图形符号和实物图如图1-16所示
20、。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-16 发光二极管图形符号及常见发光二极管实物图片项目一 直流稳压电源的制作与调试五、五、二极管的命名二极管的命名不同国家的二极管有不同的命名方法,表1-3给出了国产二极管的型号命名及含义。项目一 直流稳压电源的制作与调试表表1-3 国产二极管的型号命名及含义国产二极管的型号命名及含义项目一 直流稳压电源的制作与调试六、六、普通二极管的识别与检测普通二极管的识别与检测【外观识别】一般情况下，二极管有标志环的一端为阴极。图1-17(a)为二极管的外观图。【极性的判别】用万用表来检测，如果是模拟式万用表，将万用表置于R100挡或R1 k 挡，两表笔分别接二极管
21、的两个电极，测出一个结果后，对调两表笔，再测出一个结果。两次测量的结果中，有一次测量出的阻值较大(为反向电阻)，一次测量出的阻值较小(为正向电阻)。在阻值较小的一次测量中，黑表笔接的是二极管的正极，红表笔接的是二极管的负极。测试示意图如图1-17(b)所示。项目一 直流稳压电源的制作与调试【性能好坏的判断】通常，锗材料二极管的正向电阻值为1 k左右，反向电阻值为300 M左右;硅材料二极管的正向电阻值为5 k左右，反向电阻值为(无穷大)。二极管的正向电阻越小越好，反向电阻越大越好。正、反向电阻值相差越悬殊，说明二极管的单向导电特性越好。若测得二极管的正、反向电阻值均接近0或阻值较小，则说明该二
22、极管内部已击穿短路或漏电损坏；若测得二极管的正、反向电阻值均为无穷大，则说明该二极管已开路损坏。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-17 普通二极管的外观及检测示意图项目一 直流稳压电源的制作与调试1.2.3 整流电路整流电路整流就是将交流电变换成单一方向的脉动直流电，完成这一任务的电路称为整流电路。整流电路按其所使用的电源可分为单相整流电路和三相整流电路。常见的单相整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路等，其中单相桥式整流电路用的最为普遍，本项目使用的整流电路是利用二极管的单向导电性构成的单相桥式整流电路。下面介绍由二极管构成的几种常见的单相整流电路。项目一 直流稳压电源的制作与调试
23、一、一、单相半波整流电路单相半波整流电路 单相半波整流电路的原理图如图1-18(a)所示，它是最简单的整流电路,由变压器T、整流二极管V及负载RL组成。设二极管为理想二极管，在u2正半周时，二极管V正偏导通，电流从a点经过V和负载电阻RL至b点，构成回路，RL两端电压uL=u2；在u2负半周时，二极管V反偏截止，电路中无电流通过，RL两端电压uL为零。可见，在交流电压u2的一个周期内，负载RL上得到一个单一方向的脉动直流电压，由于流过负载电阻的电流和加在负载两端的电压只有半个周期的正弦波，故这种整流电路称做半波整流电路，电路中输出电压波形如图1-18(b)所示。项目一 直流稳压电源的制作与调试
24、图1-18 单相半波整流电路原理图及相关波形图项目一 直流稳压电源的制作与调试设，经过二极管V整流后，加在负载电阻RL上的电压和流过负载电阻RL的电流是脉动的直流电。设UL是输出电压的瞬时值在一个周期内的平均值，则单相半波整流的输出电压平均值为 (1-2)整流电流的平均值为 (1-3)tVUusin222222045.02)(dsin221UUttUULLLLLRURUI245.0项目一 直流稳压电源的制作与调试整流输出电压的脉动系数定义为输出电压的基波最大值Uom与输出直流电压Uo之比，用字母S表示。半波整流电路的脉动系数S为 (1-3)即半波整流的脉动系数为157%，所以，脉动成分很大。5
25、7.122222UUUUSoom项目一 直流稳压电源的制作与调试选用整流电路中所用的二极管，一般要根据流过二极管的电流平均值IV和它在电路中所承受的最高反向峰值电压UVM来确定，即 二极管的最大正向平均电流 (1-4)二极管的最高反向峰值电压 (1-5)LLLLVFRURUIII245.02VMRMUUU2项目一 直流稳压电源的制作与调试例例1.1 有一单相半波整流电路，如图1-18(a)所示，已知负载电阻RL=750，变压器副边电压U2=20 V，试求UL、IL及UVM，并选用二极管。解解：由公式(1-1)得 UL=0.45U2=0.4520=9 VmAALLL12012.07509RUIV
26、VM2.2820222UU项目一 直流稳压电源的制作与调试二、二、桥式整流电路桥式整流电路单相半波整流电路的缺点是只利用了交流电源的半个周期，电源利用率很低，且整流电路的输出电压脉动较大。为了克服这些缺点，实际中常采用全波整流电路，其中最常用的是单相桥式整流电路。单相桥式整流电路如图1-19(a)所示，图1-19(b)是桥式整流电路的另一种画法，图1-19(c)是其简化画法。由变压器T、四个整流二极管V1V4及负载电阻RL组成，变压器T把电网电压u1变换成所需的交流电压u2,四个二极管V1V4构成整流电路实现整流。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-19 单相桥式整流电路的几种常用画法项目一
27、 直流稳压电源的制作与调试设。在u2正半周时，1端极性为正，2端极性为负，二极管V1、V3正向导通，V2、V4反向截止，电流iL由1端经V1RLV32端，RL上得到上正下负的电压；在u2负半周时，2端极性为正,1端极性为负，二极管V2、V4正向导通，V1、V3反向截止，电流iL由2端经V2RLV41端，RL上也得到上正下负的电压。这样在交流电压u2的整个周期内，负载电阻RL都有同方向的电流通过，负载两端都有同极性的电压输出，故称为全波整流，输出电压波形如图1-20所示。V tUusin222项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-20 单相桥式整流电路的相关波形项目一 直流稳压电源的制作与调试由
28、图1-20可以看出，变压器次级电压u2按正弦规律变化。经过整流后，负载电阻上的电压和流过负载的电流方向不变，但其大小仍作周期性变化，其电压的平均值为 (1-6)电流的平均值为 (1-7)22029.022)(dsin1UUttUUVLLLLLRURUI29.0项目一 直流稳压电源的制作与调试在桥式整流电路中，二极管V1、V3和V2、V4是两两轮流导通的，所以流经每只二极管的平均电流为(1-8)二极管在截止时，管子两端承受的最高反向电压就是变压器次级电压u2的最大值，即(1-9)LVII2122UUVM项目一 直流稳压电源的制作与调试二极管的选管原则：二极管的平均电流(1-10)最高反向峰值电压
29、(1-11)LVFIII2122UUUVMRM项目一 直流稳压电源的制作与调试例例1.2 在图1-19(a)所示单相桥式整流电路中，若变压器次级电压有效值U2=200 V,负载电阻RL=100,求整流输出电压的平均值UL，整流输出电流平均值IL以及每个整流元件的平均电流IV和所承受的最大反向电压UVM。解解：在单相桥式整流电路中，整流输出电压的平均值UL=0.9U2=0.9200=180 V整流输出电流的平均值 ALLL8.1100180RUI项目一 直流稳压电源的制作与调试流过每只整流二极管的平均电流 每只二极管所承受的最大反向电压 ALV9.021IIVD220022UU项目一 直流稳压电
30、源的制作与调试三、三、全波整流电路全波整流电路全波整流电路如图1-21(a)所示，由两个二极管V1和V2组成，变压器次级线圈有三个抽头。在u2的正半周，V1导通，V2截止，在负载上形成自上而下的电流，在u2的负半周，V2导通，V1截止，负载上电流方向不变，uL的波形图如图1-21(b)所示。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-21 全波整流电路及相关波形图项目一 直流稳压电源的制作与调试电路参数计算公式如下：直流输出电压UL=0.9U2(1-12)波动系数 S=0.67(1-13)流过二极管的电流平均值(1-14)每只二极管所承受的最大反向电压(1-15)LDRUI245.0222UU D项
31、目一 直流稳压电源的制作与调试1.2.4 滤波电路滤波电路经过整流电路后的输出电压是直流电压，但直流成分里含有较大的脉动成分，这样的直流电压不能保证仪器仪表的正常工作，因此需要降低其输出电压中的脉动成分，同时还要尽量保留其中的直流成分，从而使得输出的电压更加平滑，滤波电路可以实现这种功能。滤波电路一般由电容、电感、电阻等元件组成。常用的滤波电路有电容滤波电路、电感滤波电路、复式滤波电路等。一、一、电容滤波电路电容滤波电路本项目采用的是电容滤波电路，将电容器与整流电路的负载并联就构成了电容滤波电路，如图1-22所示。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-22 电容滤波电路原理图项目一 直流稳压电
32、源的制作与调试1.工作原理分析工作原理分析(1)未接入负载RL时的情况。设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，在u2的正半周，u2通过V1、V3向电容器C充电；在u2的负半周，u2通过V2、V4向电容器C充电，充电时间常数为，=RnC,式中，Rn包括变压器次级绕组的电阻和二极管V的正向电阻。由于Rn一般很小，因此电容器很快就充电达到交流电压u2的最大值。由于未接入负载RL，电容器无放电回路，故输出电压UL(即电容器C两端的电压UC)保持为，输出为一个恒定的直流电压，如图1-23中t0(即纵坐标左边)部分所示。22U22U项目一 直流稳压电源的制作与调试(2)接入负载RL时的情况。设变压器次
33、级电压u2在t0时刻从0值开始上升(即正半周开始)，这时接入负载RL，且电容器在负载未接入前已充电至，故刚接入负载时u2uC时，二极管导通，u2一方面经过整流电路给负载供电，另一方面对电容C充电，充电电压uC随着正弦电压u2增大而增大，而后u2增大至最大值再下降，当u2再一次小于uC时，重复上述过程，这样周而复始，在输出端得到较为平滑的输出电压，输出电压波形如图1-23所示。22U项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-23 电容滤波电路工作波形项目一 直流稳压电源的制作与调试电容器放电过程的快慢程度取决于RL与C的乘积，即放电时间常数d,d越大,放电过程越慢，输出电压越平稳。放电时间一般为(1
34、-16)2)53(TCRLd项目一 直流稳压电源的制作与调试2.输出电压的计算输出电压的计算经电容滤波后，负载RL上电压平均值的大小与负载RL的阻值有关。当RL为无穷大时(不接负载)，电容充电到最大值后，无放电回路，故uL的平均值UL为,而无滤波电容时，uL的平均值UL为0.45U2或0.9U2，由此可得：半波整流电容滤波的输出电压为 (1-17)桥式整流电容滤波的输出电压为 (1-18)22U2)245.0(UUL2)29.0(UUL22U项目一 直流稳压电源的制作与调试实际中，无论是哪种整流形式，经电容滤波后，输出电压平均值UL均按下式计算，即(1-19)若RL较小，则按UL=1.0U2计
35、算；若RL较大，则按UL=1.4U2计算，工程实际中，一般按下式计算 UL=1.2U2(1-20)2)4.10.1(UU L项目一 直流稳压电源的制作与调试3.滤波电容的选择滤波电容的选择为了获得较好的滤波效果，实际电路中可按的表达式选择滤波电容的容量，一般电容容量较大时，应选择电解电容，其耐压值应大于，接入电路时应注意电容极性。4.电容滤波电路特点电容滤波电路特点电容滤波电路结构简单，使用方便，但是当要求输出电压的脉动成分非常小时，则要求电容的容量非常大，这样不但不经济，甚至不可能。另外，当要求输出电流较大或输出电流变化较大时，电容滤波也不适用。此时，应考虑其他形式的滤波电路。22U项目一
36、直流稳压电源的制作与调试例例1.3 有一单相桥式整流电容滤波电路，如图1-22所示，已知交流电源频率f=50 Hz，负载电阻RL=200，要求直流输出电压UL=30 V，选择整流二极管及滤波电容器。解解：(1)选择整流二极管。流过二极管的电流为LDLL111300.07575mA222200UIIR项目一 直流稳压电源的制作与调试取UL=1.2U2，则变压器次级电压的有效值为二极管承受的最高反向峰值电压为L23025V1.21.2UU VM2222535VUU项目一 直流稳压电源的制作与调试(2)选择滤波电容器。取已知RL=200，L1/50550.05s22TR C 6L0.050.0525
37、0 10250F200CR项目一 直流稳压电源的制作与调试二、二、电感滤波电路电感滤波电路 在整流电路与负载电阻之间串接一个电感器L，就够成了电感滤波电路。电感器的电感量越大，滤除交流成分的效果越好。电感滤波电路原理如图1-24所示，由整流输出的电压波形可以看出整流输出电压是由直流分量和交流分量叠加而成，因电感线圈具有通直流阻交流的特性，故在整流电路后面串联电感器，则整流输出电压的直流分量能顺利通过，而交流分量大部分降落到电感线圈上，这样在负载电阻RL上就得到比较平滑的直流电压，电感滤波电路的输出电压一般取UL0.9U2。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-24 电感滤波电路原理图项目一 直
38、流稳压电源的制作与调试三、三、复式滤波电路复式滤波电路 电容器和电感器是基本的电路元件，利用它们对直流量和交流量呈现出不同电抗的特点，只要合理地接入电路就可以达到滤波的目的。将R、L、C元件组合起来可以构成各种复式滤波电路，以满足不同的需求，常见的复式滤波电路有LC、LC 形、RC 形等，电路如图1-25所示。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-25 几种常用的复式滤波电路原理图项目一 直流稳压电源的制作与调试1.2.5 稳压电路稳压电路一、一、稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路原理图如图1-26所示，由稳压管VZ和限流电阻R组成。稳压管在电路中应为反向连接，它与负载电阻
39、RL并联后，再与限流电阻串联，因此属于并联型稳压电路。下面简单分析该电路的工作原理。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-26 稳压二极管稳压电路原理图项目一 直流稳压电源的制作与调试1.负载电阻负载电阻RL不变不变当负载电阻不变，电网电压上升时，将使Ui增加，Uo随之增加，由稳压管的伏安特性可知，稳压管的电流IZ就会显著增加，结果使流过电阻R的压降增大，以抵偿Ui的增加，从而使负载电压Uo的数值基本保持不变。同理，如果交流电源电压降低使Ui减小时，电压Uo也减小，因此稳压管的电流IZ显著减小，结果使通过限流电阻R的电流IR减小，IR的减小使R上的压降减小，结果使负载电压数值近似不变。项目一
40、直流稳压电源的制作与调试2.电源电压不变电源电压不变当电网电压保持不变，负载电阻RL减小时，将使IL增大，IR随之增大，R上的压降升高，使得输出电压Uo将下降。由于稳压管并联在输出端，当稳压管两端的电压有所下降时，电流IZ将急剧减小，而IR=IL+IZ，故使IR基本维持不变，R上的电压也就维持不变，从而得到输出电压基本维持不变。当负载电阻增大时，稳压过程相反，读者可自行分析。选择稳压管时，一般可取(1-21)ZZomio(1.5 3)(2 3)UUIIUU项目一 直流稳压电源的制作与调试二、集成稳压电路二、集成稳压电路随着电子技术以及半导体工艺的飞速发展，可以将构成电路的所有元器件以及连接导线
41、集中制作在一块很小的半导体硅片上，然后加以封装，只通过有限的引脚与外电路连接，构成具有特定功能的集成电路。目前常见的集成稳压电路是三端集成稳压电路(简称三端稳压器)，三端稳压器有输入端、输出端和公共端(接地)三个接线端子，所需外接元件少，具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉等优点，所以应用较为广泛，三端稳压器按输出电压是否可调，可分为固定式和可调式两种。项目一 直流稳压电源的制作与调试1.固定输出的三端稳压器固定输出的三端稳压器(1)固定正电压输出三端稳压器。常用的三端固定正电压输出稳压器是78系列，型号中的两位数表示输出电压的稳定值，分别为5 V、6 V、9 V、12 V、15 V、18
42、 V、24 V。例如，7812的输出电压为12 V，7805的输出电压为5 V。按输出电流大小不同，78系列又分为：CW78系列，最大输出电流为1 A1.5 A；CW78M系列，最大输出电流为0.5 A；CW78L系列，最大输出电流为100 mA左右。78系列三端稳压器的外部引脚如图1-27(a)所示，1脚为输入端，2脚为输出端，3脚为公共端。注意：在使用78系列稳压器时，输入端与输出端之间的电压不得低于3V。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-27 固定输出的三端稳压器外形图项目一 直流稳压电源的制作与调试(2)固定负电压输出三端稳压器。常用的三端固定负电压输出稳压器有79系列，型号中的两
43、位数表示输出电压的稳定值，和78系列相对应，分别为5 V、6 V、9 V、12 V、15 V、18 V、24 V。按输出电流不同，79系列也可分为CW79系列、CW79M系列和CW79L系列。79系列的管脚图如图1-27(b)所示，1脚为公共端，2脚为输出端，3脚为输入端。项目一 直流稳压电源的制作与调试(3)固定输出的三端稳压器的典型应用电路。三端稳压器的稳压系数约为0.005%0.02%，纹波抑制比为56 dB68 dB。固定输出的三端稳压器的接法如图1-28所示(7805和7905的管脚接法不同，请特别注意)。图1-28中C1可以防止由于输入引线较长带来的电感效应所产生的自激，其取值范围
44、在0.1 F1 F之间(若接线不长时可不用)。C2用来减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰，C3为容量较大的电解电容，用来进一步减小输出脉动和低频干扰。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-28 固定输出的三端稳压器典型应用电路项目一 直流稳压电源的制作与调试当需要正、负两组电源输出时，可使用78系列和79系列各一块，按图1-29接线，则可得到正负对称的两组电源。图1-29 由三端稳压器构成的正负对称的两组电源项目一 直流稳压电源的制作与调试2.可调输出的三端稳压器可调输出的三端稳压器前面介绍的78、79系列集成稳压器，都属于固定输出的稳压电路。实际应用中还需要输出电压可调的直流稳压电路，
45、常见的可调输出三端稳压器有CW117、CW217、CW317、CW337和CW337L系列。如图1-30(a)所示为正可调输出稳压器，图1-30(b)为负可调输出稳压器。三端可调集成稳压器的输出电压为1.25 V37 V，输出电流可达1.5 A。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-30 可调输出的三端稳压器外形图项目一 直流稳压电源的制作与调试使用这种稳压器非常方便，只要在输出端接两个电阻，就可得到所要求的输出电压值，它的典型应用电路如图1-31所示，是可调输出稳压器的标准电路。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-31 可调输出的三端稳压器典型应用电路项目一 直流稳压电源的制作与调试在图1
46、-31标准电路中，因CW117217317的基准电压为1.25 V，这个电压在输出端3和调整端1之间，故输出电压只能从1.25 V上调。输出电压表达式为(1-22)上式中的第二项，即50106R2，表示从CW117217317调整端流出的经过电阻R2的电流为50 mA。它的变化很小，所以在R2阻值很小时，可忽略第二项，即为(1-23)2612o1050)1(25.1RRRU)1(25.112oRRU项目一 直流稳压电源的制作与调试1.2.6 直流稳压电源的主要技术指标直流稳压电源的主要技术指标稳压电源的主要指标有两类：一类是表示电源适用范围的特性指标，如允许输入电压、输出电压(或输出电压调节范
47、围)以及输出电流等；还有一类是衡量电源性能优劣的质量指标，主要有以下几个。1.稳压系数稳压系数Sr稳压系数指负载一定时，稳压电路输出电压相对变化量与(稳压电路)输入电压相对变化量的比值，即(1-24)常数L/RUUUUSIIoor项目一 直流稳压电源的制作与调试2.输出电阻Ro输出电阻指当直流稳压电路输入电压Ui及环境温度不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比，即(1-25)3.电压调整率KU电压调整率指额定负载时，电网电压波动10%，输出电压的相对变化量，即(1-26)0iLooUIUROoUUUK项目一 直流稳压电源的制作与调试4.纹波电压纹波电压Ur 纹波电压指输出电压Uo中交流分量
48、的有效值，其大小除与稳压电路的性能有关外，还与稳压系数Sr有关。项目一 直流稳压电源的制作与调试1.3.1 常用仪器使用训练常用仪器使用训练一、训练目的(1)了解低频信号发生器、交流毫伏表及双踪示波器的性能和正确使用方法;(2)初步掌握用示波器测量信号波形参数的方法。1.3 项项 目目 实实 施施项目一 直流稳压电源的制作与调试二、二、训练说明训练说明在电子线路测试中，经常使用的电子仪器包括示波器、信号发生器、交流毫伏表、直流稳压电源及频率计等。它们和万用表或直流电压表配合，可以完成对模拟电子电路的静态和动态工作状态的测试。本次训练着重学习示波器、信号发生器和交流毫伏表的使用方法,其在实验中的
49、连接如图1-32所示。信号发生器选用XD22型，它可以产生正弦、矩形及TTL三种波形的信号，信号频率范围为1 Hz1 MHz；交流毫伏表选用HZ1812型，它的用途是测量正弦信号电压的大小；示波器是用来观测各种周期电压(或电流)波形的仪器，本训练中选用COS5020BF型号，它是一种自带频率计的通用双踪示波器。项目一 直流稳压电源的制作与调试图1-32 用示波器观测信号电压波形及其测量幅值和周期项目一 直流稳压电源的制作与调试三、三、训练内容训练内容1.XD22型信号发生器和型信号发生器和HZ1812交流毫伏表的使用交流毫伏表的使用(1)信号频率的调节。根据表1-4中所列待调频率的数值，正确选
50、择低频信号发生器左下方“波段”和“频率”旋钮的位置，使数码管显示的频率读数与待调频率一致，并将各旋钮的位置记入表1-4中。读数时要注意小数点位置和频率单位。项目一 直流稳压电源的制作与调试表表1-4 信号频率的调节信号频率的调节项目一 直流稳压电源的制作与调试(2)“输出衰减”各位置满度输出电压的测量。将XD22信号发生器频率调至1 kHz，并调节“输出细调”旋钮，使表头指示保持为满刻度(6.3 V)。从0 dB开始依次改变“输出衰减”旋钮的位置，用交流毫伏表测量出对应的满度电压值记入表1-5中(注意正确连线及合理选择毫伏表的量程)。(3)若需要一个f=1.0 kHz，U=10 mV的正弦信号
