简易直流电源制作

项目1简易直流电源制作学习目标通过本项目的练习 了解半导体二极管结构和特性 掌握稳压二极管的使用方法和发光二极管的电路设计方法 理解桥式整流电路和电容滤波电路工作原理 能初步设计并制作印制电路板 PCB板 熟练地进行简单电子产品的电路安装 元器件焊接 并能利用仪器仪表进行元器件检测和电路调试 工作任务制作带电源指示的简易直流电源 输入电压为单相交流220V电网电压 即市电 输出为直流电压12V 电流0 3A 撰写项目制作报告 参考电路图带电源指示的简易12V直流电源电路如图所示 技能训练1二极管检测 a 用模拟万用表测量 b 用数字万用表测量图1 3二极管测量方法 1 若用模拟万用表进行测量 设置在测量电阻的R 1K挡 若用数字万用表 设置在专用的测量挡 2 左手拿二极管 右手握红 黑两表笔 将红 黑两表笔与二极管的两端电极引出线接触 观察模拟万用表的指针有无变化 或数字万用表的显示数值有无变化 3 交换两表笔的位置 再次与电极引出线接触并观察 4 二极管好坏的判断对于模拟万用表 若两次观察到指针均不偏转或均有较大的偏转 则说明二极管已损坏 若两次观察到的指针一次不偏转 另一次有较大的偏转 则说明二极管完好 对于数字万用表 若两次观察到的数值均为无穷大或均为较小且伴有蜂鸣 则说明二极管已损坏 若两次观察到的数值一次为无穷大 另一次为较小且伴有蜂鸣 则二极管完好 5 二极管正负极判别对于模拟万用表 指针有较大偏转时 黑表笔正极 红表笔为负极 对于数字万用表 显示数值较小且伴有蜂鸣时 红表笔接触的是正极 黑表笔接触的是负极 知识点晶体二极管1 二极管的符号半导体一般由硅 Si 或锗 Ge 材料制成 分N型半导体和P型半导体两种 N型半导体主要靠带负电的电子导电 P型半导体主要靠带正电的空穴导电 当把N型半导体和P型半导体制作在一起时 在它们的交界面由于电子与空穴的复合 会形成PN结 PN结具有单向导电的特性 将PN结用管壳封装起来 加上相应的电极引线 就构成了晶体二极管 简称二极管 P区的引出线称二极管的正极 N区的引出线称二极管的负极 电气符号如图所示 2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性是指二极管两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线 正向特性OA段 常称 死区 二极管两端所加正向电压较小 正向电流也非常小 几乎为零 使二极管开始导通的临界电压称为门槛电压UT UT的大小与管子的材料和所处温度有关 AB段 称为正向导通区 二极管两端所加电压越过门槛电压UT后 随着电压增大 正向电流急速增大 表现为AB段是一条较陡的线段 反向特性OC段 称为反向截止区 二极管两端所加反向电压增加时 反向电流很小且几乎不变 通常都可忽略 CD段 称为反向击穿区 表示反向电压增大到超过某一值时 反向电流急剧增大 这一现象称为反向击穿 反向击穿时所加的电压叫反向击穿电压 记为UBR 反向击穿电流过大会使普通二极管烧坏 称为击穿短路 3 二极管的主要参数二极管的主要参数有以下几个 1 最大整流电流IF 指二极管长期安全工作时 允许通过管子的最大正向平均电流 IF的数值是由二极管允许的温升所限定的 2 最大反向工作电压UR 指工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值 为了留有余地 UR通常取反向击穿电压UBR的一半 3 反向电流IS 指在室温条件下 二极管两端加上规定的反向电压时 流过管子的反向电流值 IS越小 管子的单向导电性越好 技能训练2稳压二极管稳压电路测试 测量电路图 知识点稳压二极管稳压管是用特殊工艺制成的二极管 它工作于反向击穿区 具有稳压的功能 它的伏安特性曲线和电气符号如图所示 从特性曲线看 稳压管与普通二极管极其相似 只是稳压管的反向击穿特性曲线更陡 当稳压二极管反向击穿后 流过管子的电流在很大的范围内变化时 管子两端的电压基本不变 起到稳压作用 稳压管的主要参数如下 1 稳定电压 即反向击穿电压 是选用稳压二极管要考虑的一个主要参数 2 稳定电流 稳压管正常工作时的电流值 其范围在之间 较小时 稳压效果不佳 过大时 管子功耗也将增大 超过管子允许值 管子将不够安全 3 耗散功率 管子所允许的最大功耗 管子功耗超过最大允许功耗时 管子将产生热击穿而损坏 技能实训3发光二极管电路测试测量电路图 1 用万用表判断发光二极管的正负极 2 选取不同的R1值 1k 470 100 3 在多功能PCB板上按图焊接 连接元件 检查无误后接上5V电源 4 观察R1不同阻值下的发光二极管明亮程度 5 用万用表测量并记录发光二极管两端的电压值 发光二极管正常工作情况下应工作在 正向 反向 状态 在一定电压下 发光二极管的明亮程度由决定 知识点发光二极管发光二极管工作在正向状态 其正向导通时 压降一般为1 5 2 3V 工作电流一般取10 20mA为宜 LED的工作电流由电源电压U和限流电阻R来供给 因而必须合理选择U和R 使LED工作在额定的工作电流下 如图1 9所示 若U一定 则限流电阻可以根据下式来确定 图1 9发光二极管直流驱动电路 技能实训4桥式整流电路仿真测量电路图 在multisim10软件中按图绘制电路图 变压器初级绕组输入电压为单相220V 50Hz交流电 设置变压器T1的匝数比为n1 n2 9 220 0 04 断开二极管D2 D3与变压器副边的连线 运行仿真电路 观察示波器XSC1的输出波形 断开二极管D1 D4与变压器副边的连线 运行仿真电路 观察示波器XSC1的输出波形 二极管D1 D2 D3 D4均与变压器副边相连 运行仿真电路 观察示波器XSC1的输出波形 分析波形 分析 1 断开二极管D2 D3 二极管D1 D4在电源的正半周相当于半波整流电路 因此得到如图1 11 a 所示波形 2 断开二极管D1 D4 二极管D2 D3在电源的负半周相当于半波整流电路 因此得到如图1 11 b 所示波形 3 在电源正半周 D1 D4进行整流 在电源负半周 D2 D3进行整流 当二极管D1 D2 D3 D4均与变压器副边相连时 电源的正负半周均被整流 产生的波形就是上述两个半波整流波形的叠加 如图1 12所示 a 正半周整流波形 b 负半周整流波形图1 11全波整流波形的分解 图1 12全波整流仿真波形图 知识点桥式整流电路1 半波整流电路电网电压 即市电 是频率为50HZ 有效值为220V的单相正弦交流电压 用万用表测量得到的电压就是这个有效值电压220V 峰值电压Um与有效值电压U的关系为 对于有效值为220V的市电 峰值大小为310V 图1 13 a 所示为纯电阻负载的半波整流电路 a 半波整流电路 由于二极管单向导电性的作用 当电源电压为正半周时 二极管承受正向的电压而导通 有电流流过负载 负载电阻RL上得到一个上正下负的电压 忽略二极管上的电压降时 负载电阻RL上的电压uL等于电源变压器副边的电压u2 即 当电源电压为负半周时 二极管承受反向电压而截止 没有电流流过负载 此时 负载电阻RL上的电压uL 0 u1 u2 uL电压波形如图1 13 b 所示 由图1 13 b 波形图可以看出 使用单个二极管 一个电源周期内负载上只有半个电压波形输出 b 半波整流输入输出的电压波形图1 13二极管半波整流电路检测 2 桥式整流电路桥式整流电路如图1 14所示 图1 14桥式整流电路 当电源为正半周时 VD1 VD4承受正向电压而导通 VD2 VD3承受反向电压而截止 导电通路为a VD1 RL VD4 b 此时电路可简化为如图1 15 a 所示 当电源为负半周时 VD2 VD3承受正向电压而导通 VD1 VD4承受反向电压而截止 导通回路为b VD2 RL VD3 a 此时电路可简化为如图1 15 b 所示 忽略导通管的压降 在整个周期内 负载电阻RL都有电流流过 两端获得了电源正 负半周的全部电压 方向均为上正下负 a 正半周整流电路 b 负半周整流电路图1 15桥式整流电路的分解 设变压器副边电压有效值为U2 则负载电阻RL上直流电压平均值为 负载电阻RL上流过直流电流平均值为 整流元件VD1 VD2 VD3 VD4通过的电流平均值为 VD1 VD2 VD3 VD4承受的最高反向电压为 技能实训5滤波电路仿真测量电路图 在multisim10软件中按图绘制电路图 变压器T1初级绕组输入电压为单相220V 50Hz正弦交流电 设置变压器T1的匝数比为n1 n2 9 220 0 04 运行仿真电路 观察示波器XSC1的输出波形和万用表XMM1的读数 改变R1的阻值 如R1 100 运行仿真电路 观察万用表XMM1的读数 知识点滤波电路桥式整流电路输出电压是一个脉动式的直流电压 含有较大比例的交流成份 希望获得较平滑的直流电提供给电子设备所需 还必须进行滤波 滤波电路的种类主要有电容滤波 电感滤波等 1 电容滤波电路电容滤波电路结构简单 效果明显 但只适用于电流小且变化范围不大的负载 如图1 19 a 所示 利用电容的通交流隔直流作用 使负载获得较平滑的直流电压 电容滤波电路原理图 b 变压器副边电压u2波形 负载电阻两端电压波形和二极管电流波形图1 19电容滤波电路 负载RL 即空载时 带有负载时 其平均值一般取流过负载RL的电流平均值 流过每个二极管的电流平均值 整流管承受最大反向电压 与桥式整流电路比较 接上滤波电容后负载上的直流电压平均值明显升高了 而且交流成分减少了 但整流二极管导通角变小了 即通过整流管的浪涌电流变大了 2 电感滤波电路电感滤波电路如图1 21 a 所示 我们知道电感线圈L能阻碍通过它的电流发生变化 当电流IL上升时 L阻止它上升 而当电流IL下降时 L又阻止它下降 结果使电流变化较为平缓 即电感具有对脉动电压的滤波作用 理论上讲 滤波电感越大效果越好 但L太大会增加成本 同时 直流损耗会增加 使输出电压和电流降低 a 电感滤波电路 b UL波形图1 21电感滤波 技能实训6印制电路板制作电路图 图1 22制作PCB板的电路原理图 检查覆铜板有无变形 断裂等 用砂纸对覆铜板去污处理 在空白纸上根据电路原理图画出元件排列位置 尤其对元件插孔位置要进行重点标注 用铅笔进行简单布线 将该白纸紧密贴在覆铜板正面 非覆铜面 选择不同的钻头进行钻孔 注意不要松动白纸 钻好孔的覆铜板用砂纸打磨光滑 覆铜面用油漆或记号笔根据元件孔位参照原先白纸布线图进行布线 注意此时布线图已镜像翻转 检查布线无误后 将覆铜板放入三氯化铁 FeCl3 溶液中进行腐蚀 腐蚀好后的PCB板用砂纸去漆 冲洗干净凉干后 用万用表检查布线是否有断裂 检查无误后将布线面涂上助焊剂 就可以进行焊接组装了 制作完成的参考印制电路板如图1 23所示 图1 23制作完成的参考PCB板 知识点印制电路板设计常识印制电路板设计包括 确定印制板尺寸 形状 材料 外部连接和安装方法 布设导线和元器件位置 确定印制导线的宽度 间距和焊盘的直径和孔径等 1 合理选择版面尺寸2 元器件布局元器件在印制电路板上的分布应尽量均匀 密度一致 元器件的排列应整齐美观 一般应做到横平竖直 并力求电路安装紧凑 密集 尽量缩短引线 元器件安装的位置应避免互相影响 元器件间不允许立体交叉和重叠排列 元器件的方向应与相邻印制导线交叉 电感器件要注意防电磁干扰 发热元件要放在有利于散热的位置 必要时可单独放置或装散热器 以降温和减少对邻近元器件的影响 大而笨重的元件如变压器 扼流圈 大电容器 继电器等 可安装在主印制板之外的辅助底板上 利用附件将它们紧固 以利于加工和装配 元器件的跨距s应小于2倍元件本体长度l 单向引线的跨距 应小于本体直径d的1 25 如图1 24所示 元器件的间距 最小间距d等于相邻元件的半径之和再加上安全间隙b b为1 200V 如图1 25所示 图1 24元器件的跨距 图1 25元器件的间距 3 导线的布设公共地线应尽可能布置在印制电路板的边缘 便于印制电路板安装以及与地相连 为减小导线间的寄生耦合 布线时应按信号的顺序进行排列 尽可能将输入线和输出线的位置远离 并最好采用地线将两端隔开 提供大信号的供电线和提供小信号的供电线应分开 特别是地线 最好是一点共地 高频电路中的高频导线 三极管各电