项目1-直流稳压电源电路

,项目一直流稳压电源电路,模拟电子技术项目化教程,项目概述,当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路-电源电路，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源，它可以直接采用蓄电池、干电池或直流发电机获得直流电能，还可以将电网的380/220V交流电通过电路转换的方式来获取直流电。由于直流稳压电源应用的普遍性，本项目选择制作一款简易的直流稳压电源，先学习分析交流电转换成为直流电的方法，再掌握直流稳压电路的焊接和制作技术。,项目引导,教学目的：1半导体二极管的结构、图形符号、导电特性和相关参数。2单相整流、电容滤波、稳压、电源指示电路的组成及工作原理及分析计算方法。3电路仿真软件Multisim的使用，仿真电路的连接与调试。4面包板的使用方法，实际电路图的连接与调试；万用表、双踪示波器的使用方法。5电路常见故障排查。,项目引导,项目要求：1工作任务：直流稳压电源电路的设计、制作与调试2性能指标：输出直流电压5V。,项目引导,参考电路：,项目引导,项目咨询：,半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）和砷化镓（GaAs）等。,1半导体及其特性,任务1：整流电路,1.1.1半导体基础知识,半导体具有以下特性：（1）热敏特性：温度升高，大多数半导体的电阻率下降。利用这种特性就可以做成各种热敏元件。（2）光敏特性：许多半导体受到光照辐射，电阻率下降。利用这种特性可制成光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管光电元件等。（3）掺杂特性：当在纯净的半导体中掺入微量的其它杂质元素时，其导电能力会增加几十万甚至几百万倍，利用这个特性可制成半导体二极管、半导体三极管、场效应管、晶闸管等等。,2本征半导体,任务1：整流电路,1.1.1半导体基础知识,具有晶体结构的纯净半导体就称为本征半导体（Insrinsicsemiconductor）。在绝对零度和未获得外加能量时，半导体不具备导电能力。,共价键失去电子后留下空位称为空穴，电子和空穴成对出现，称为载流子。空穴参与导电是半导体导电的特点，是与导体导电最根本的区别。,3杂质半导体,任务1：整流电路,1.1.1半导体基础知识,在本征半导体中掺入微量的其它元素（称为掺杂），形成杂质半导体。增加了载流子的数目，提高了本征半导体导电能力。,N型半导体,在本征半导体硅或锗中掺入微量五价元素，如磷、砷（杂质）所构成。,电子为多子，空穴为少子,P型半导体,在本征半导体硅或锗中掺入微量三价元素，如棚、铟（杂质）所构成。,空穴为多子，电子为少子,电中性,1.1.2PN结,单纯的P型或N型半导体并不能做成半导体器件.，若在一块本征半导体上，两边掺入不同的杂质，并分别成为P型和N型半导体，则在两种半体的交界面附近形成一层很薄的特殊导电层-PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。,4PN结及其单向导电性,任务1：整流电路,1.1.1半导体基础知识,1）PN结的形成在一块完整的晶片上,通过一定的掺杂工艺,一边形成P型半导体,另一边形成N型半导体。在P型和N型半导体交界面的两侧,由于载流子浓度的差别,N区的电子必然向P区扩散,而P区的空穴要向N区扩散。P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子,N区一侧则因失去电子而留下不能移动的正离子,这些离子被固定排列在晶格上,不能自由运动,所以并不参与导电,这样,在交界面两侧形成一个带异性电荷的离子层,电荷的离子层,称为空间电荷区。,4PN结及其单向导电性,任务1：整流电路,1.1.1半导体基础知识,4PN结及其单向导电性,任务1：整流电路,1.1.1半导体基础知识,1）PN结的形成,（1）载流子的浓度差引起多子的扩散,（2）交界面形成空间电荷区(PN结)，建立内电场,空间电荷区特点:,无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。,（3）扩散和漂移达到动态平衡，形成PN结。总电流I=0,内建电场,载流子在电场作用下的定向运动,4PN结及其单向导电性,任务1：整流电路,1.1.1半导体基础知识,2）PN结的偏置,（1）PN结正向偏置,内电场,外电场,扩散运动加强形成正向电流IF,=I多子I少子I多子,外电场使多子向PN结移动，中和部分离子使空间电荷区变窄。,外加正向电压（P+、N）,4PN结及其单向导电性,任务1：整流电路,1.1.1半导体基础知识,2）PN结的偏置,PN结的单向导电性：正偏呈低阻导通，正向电流IF较大;反偏呈高阻截止，反向电流IR很小。,外加反向电压（P、N+）,外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。,漂移运动加强形成反向电流IR,=I少子0,（2）PN结反向偏置,1二极管的结构,任务1：整流电路,1.1.2认识半导体二极管,通过一定的生产工艺把半导体的P区和N区部分结合在一起，则它们的交界处就会形成一个具有单向导电性的薄层，称为PN结（PNJuntion）。以PN结为管芯，在P区和N区均接上电极引线，并以外壳封装，就制成了半导体二极管，简称二极管。二极管电路符号：箭头方向表示二极管导通时的电流方向。,二极管的分类(1)按所用材料不同划分：硅管和锗管；(2)按制造工艺不同划分：点接触型：结电容（Junctioncapacitance）很小，允许通过的电流也很小（几十毫安以下），适用于高频检波、变频、高频振荡等场合。2AP系列和2AK系列；面接触型：允许通过的电流较大，结电容也大，工作频率较低，用作整流器件。如国产硅二极管2CP和2CZ系列；硅平面型，2CK系列开关管。,1二极管的结构,任务1：整流电路,1.1.2认识半导体二极管,二极管阳极电位高于阴极电位，称为二极管(PN结)正向偏置，简称正偏(Forwardbias)；二极管阳极电位低于阴极电位，称为二极管(PN结)反向偏置，简称反偏(Reversebias)。二极管正偏导通，反偏截止的这种特性称为单向导电性(Onilateralconductivity)。,1二极管的伏安特性,任务1：整流电路,1.1.2认识半导体二极管,二极管的伏安特性曲线如图所示，分为三部分：(a)正向特性；(b)反向特性；(c)反向击穿特性。,1二极管的伏安特性,任务1：整流电路,1.1.2认识半导体二极管,(a)正向特性：OA段为死区，此时正偏电压称为死区电压Uth，硅管0.5V，锗管0.1V。AB段为缓冲区。BC段为正向导通区。当uUth时，二极管才处于完全导通状态，导通电压UF基本不变。硅管为0.70.8V,一般取0.7V，锗管为0.20.3V，通常取0.2V。当二极管为理想二极管时，UF0。(b)反向特性：如图OD段所示，二极管处于截止状态，在电路中相当于开关处于关断状态。(c)反向击穿特性：如图所示，反向电流在E处急剧上升，这种现象称之为反向击穿（Reversebreakdown），此时所对应的电压为反向击穿电压UBR。对于非特殊要求的二极管，反向击穿时会使二极管PN结过热而损坏。,1二极管的伏安特性,任务1：整流电路,1.1.2认识半导体二极管,3二极管的主要参数,任务1：整流电路,1.1.2认识半导体二极管,1）最大整流电流IFIF为指二极管长期运行时允许通过的最大正向直流电流。IF与PN结的材料、面积及散热条件有关。大功率二极管使用时，一般要加散热片。在实际使用时，流过二极管最大平均电流不能超过IF，否则二极管会因过热而损坏。2）最高反向工作电压URM（反向峰值电压）URM为二极管在使用时允许外加的最大反向电压。URM=UBR。实际使用时，二极管所承受的最大反向电压值不应超过URM，以免二极管发生反向击穿。,3）反向电流IRIR是指在室温下，二极管未击穿时的反向电流值。4）最高工作频率二极管的工作频率若超过一定值，就可能失去单向导电性，这一频率称为最高工作频率。主要由PN结的结电容的大小来决定。点接触型二极管结电容较小，可达几百兆赫兹。面接触型二极管结电容较大，只能达到几十兆赫兹。,3二极管的主要参数,任务1：整流电路,1.1.2认识半导体二极管,任务1：整流电路,1.1.3二极管整流电路,本项目制作的直流稳压电源电路是将电网220V的交流电通过变压器降压为12V左右的低压交流电后，再转换为直流电的方式来实现。其中，将大小和方向都随时间变化的交流电变换成单方向的脉动直流电的过程称为整流。利用二极管的单向导电性，就能组成整流电路。常见的整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流和倍压整流，本任务主要介绍单相半波整流电路和单相桥式整流电路。,任务1：整流电路,1.1.3二极管整流电路,1单相半波整流电路,单相半波整流电路如图所示，图中T为电源变压器,RL为电阻性负载。,设变压器二次绕组的交流电压u2=2U2sint，式中，U2为二次电压有效值。u2的波形如图（a）所示。,任务1：整流电路,1.1.3二极管整流电路,1单相半波整流电路,(1)正半周u2瞬时极性a(+)，b(-)，VD正偏导通，二极管和负载上有电流流过。若向压降UF忽略不计，则uo=u2。,(2)负半周u2瞬时极性a(-)，b(+)，VD反偏截止，IF0，uD=u2。,负载RL上电压和电流波形见图1.3.2（b）、（c）。uo为u2的半个周期，故称半波整流电路。uo、iL为单向脉动直流电压、电流。,任务1：整流电路,1.1.3二极管整流电路,1单相半波整流电路,负载上的直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。,任务1：整流电路,1.1.3二极管整流电路,1单相半波整流电路,纹波系数,整流二极管的选择（1）IF二极管的最大整流电流IFID，即IFID=IL=0.45U2/RL。（2）URM,任务1：整流电路,1.1.3二极管整流电路,1单相半波整流电路,单相桥式整流电路如图所示，其中图（b）为简化画法，图（c）为另一种画法。,任务1：整流电路,1.1.3二极管整流电路,2单相桥式整流电路,1）电路工作原理,（1）u2正半周u2瞬时极性a(+)，b(-)。二极管VD1、VD3正偏导通，VD2、VD4反偏截止。导电回路为aVD1RLVD3b,负载上电压极性上正下负。（2）u2负半周u2瞬时极性a(-)，b(+)。二极管VD1、VD3反偏截止，VD2、VD4正偏导通，导电回路为bVD2RLVD4a，负载上电压极性同样为上正下负。,任务1：整流电路,1.1.3二极管整流电路,2单相桥式整流电路,波形图：u2、iD、uo及iL波形如图所示。,二极管正确接法：错接二极管会形成很大短路电流而烧毁。正确接法：共阳端和共阴端接负载，而另外两端接变压器二次绕组。,1）电路工作原理,任务1：整流电路,1.1.3二极管整流电路,2单相桥式整流电路,2)负载上电压、电流值及纹波系数的计算输出电压的平均值Uo(AV)和电流平均值IL（AV）及系数等均与全波整流电路相同，即UO(AV)=0.9U2，IL(AV)=0.9U2/RL，=0.48。,3)整流二极管的选择选择二极管时，,任务1：整流电路,1.1.3二极管整流电路,2单相桥式整流电路,任务1：整流电路,1.1.3二极管整流电路,知识拓展：二极管的应用电路,极性保护电路,为了防止电源极性接反而损坏集成芯片，可以利用二极管的单向导电性进行极性保护。,VD1、VD2选择原则：最大整流电流大于集成耗电电流，最高反向工作电压大于电源电压，反向电流尽量小。一般选1N4001、1N4148、2CZ系列均可。C1、C2为高频滤波电容。,1.二极管的保护电路应用,继电器驱动电路中的二极管保护电路,继电器内部具有线圈的结构，所以它在断电时会产生电压很大的反向电动势，会击穿继电器的驱动三极管，为此要在继电器驱动电路中设置二极管保护电路，以保护继电器驱动管。,任务1：整流电路,1.1.3二极管整流电路,知识拓展：二极管的应用电路,1.二极管的保护电路应用,二极管与门电路,将电路中某点电位值钳制在选定的数值上而不受负载变动影响的电路称为钳位电路。这种电路可组成二极管门电路，实现逻辑运算。如图所示的电路只要有一条电路输入为低电平，输出即为低电平，仅当全部输入为高电平时，输出才为高电平，从而实现逻辑与运算。,任务1：整流电路,1.1.3二极管整流电路,知识拓展：二极管的应用电路,2.二极管的钳位电路应用,二极管钳位电路,两只二极管反向并联组成了简单而有效的钳位电路，它们将干扰信号钳制在0.7V以内，使放大器免于被击穿，在干扰消失后对于需要接收的有用信号，其幅值只有几个毫伏，小于这两个二极管的死区电压，所以不影响放大器的正常工作。,任务1：整流电路,1.1.3二极管整流电路,知识拓展：二极管的应用电路,2.二极管的钳位电路应用,3.二极管的限幅电路应用,1）单向限幅电路,若二极管具有理想的开关特性，那么，当ui低于E时，VD不导通，uo=E；当ui高于E以后，VD导通，uo=ui。当输入正弦波的振幅大于E时，输出电压波形如图1-16(c)所示。可见，该电路将输出信号的下限电平限定在某一固定值E上，所以称这种限幅器为下限幅器。,任务1：整流电路,1.1.3二极管整流电路,知识拓展：二极管的应用电路,若将下限幅器中的二极管与电阻位置对调，则可得到将输出信号上限电平限定在某一数值上的上限幅器。,3.二极管的限幅电路应用,1）单向限幅电路,任务1：整流电路,1.1.3二极管整流电路,知识拓展：二极管的应用电路,3.二极管的限幅电路应用,2）双向限幅电路,任务1：整流电路,1.1.3二极管整流电路,知识拓展：二极管的应用电路,任务2：滤波电路,1.2.1电容滤波,用电容器做滤波电路时，利用电容对直流和交流会反映出不同的阻抗的特性，可以把交流分量滤去，使负载两端得到脉动较小的直流电，从而达到滤波的目的。电容器C对于直流相当于开路，对于交流却呈现较小的阻抗（XC=1/C）。若将电容C与负载电阻并联，则整流后的直流分量全部流过负载，而交流分量则被电容器旁路，因此，在负载上只有直流成分，波形得到平滑，实现了滤波的功能。,单相桥式整流电容滤波电路图及波形图,任务2：滤波电路,1.2.1电容滤波,任务2：滤波电路,1.2.1电容滤波,1负载RL未接入时的情况,设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当u2为正半周时，电流通过VD1、VD3向电容器C充电；u2为负半周时，经VD2、VD4向电容器C充电，电容器很快就充电到交流电压u2的最大值2U2，极性如图1-25所示。由于电容器无放电回路，故输出电压（即电容器C两端的电压UC）保持在2U2，输出为一个恒定的直流。,任务2：滤波电路,1.2.1电容滤波,2接入负载RL的情况,设变压器副边电压u2从0开始上升（即正半周开始）时接入负载RL，由于电容器在负载未接入前充了电，故刚接入负载时u2的数值小于UC，二极管受反向电压作用而截止，电容器C经RL放电。无论u2是正半周还是负半周，电路中总有而就干导通，在一个周期内对电容C充电两次，电容对负载放电的时间大大缩短，输出电压更加平滑，波形如上图所示。图中虚线为不接滤波电容时的波形，实线为滤波后的波形，在工程实际中，一般取输出电压为UO1.2U2,电容滤波电路简单，负载直流电压UO较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电流较小或负载变动不大的场合。,任务2：滤波电路,1.2.2电感滤波,在桥式整流电路和负载电阻RL之间串入一个电感L，就组成了一个电感滤波电路，如图所示。,电感L对直流阻抗为零（线圈电阻忽略不计），对于交流却呈现较大的阻抗（XL=L）。若把电感L与负载RL串联，则整流后的直流分量几乎无衰减地传到负载，交流分量却大部分降落在电感上。负载上的交流分量很小，因此负载上的电压接近于直流，从而达到了滤波的目的。当忽略电感L的电阻时，负载上输出的电压平均值和纯电阻（不加电感）负载基本相同，即UO0.9U2,任务2：滤波电路,1.2.2电感滤波,电感滤波的特点是，整流管的导电角较大（电感L的反电势使整流管导电角增大），峰值电流很小，输出特性比较平坦。其缺点是电感体积大，易引起电磁干扰，因此，电感滤波一般只适用于低电压，大电流场合。,复式滤波电路,任务2：滤波电路,1.2.2RC-滤波电路,为了进一步减小负载脉动电压中的交流成分，实际中常用由电容和电感组成的复式滤波电路。如图所示，由电感L、电容C构成的型或型滤波电路，由RC构成的装型滤波电路等，这些电路组成的原则是，把对交流阻抗大的元件（如电感、电阻）与负载串联，以降落较大的纹波电压，而把对交流阻抗小的元件（如电容）与负载并联，以旁路较大的纹波电流。其性能和应用场合分别与电感滤波电路及电容滤波电路相似。,任务3：稳压电路,整流滤波后得到的直流输出电压往往会随电网的波动及负载的变化而变化，为了获得稳定的直流输出电压，必须加一级稳压电路，稳压电路具有自动维持输出电压稳定的功能。稳压电路之所以能够自动稳压，关键是在电路中有一个自动可调的调整元件。当输出电压升高时，调整元件会自动调整使输出电压降低；当输出电压降低时，调整元件又会自动调整使输出电压升高，从而使输出电压达到基本稳定。按照调整元件在电路中与负载的连接方式，稳压电路分为并联型和串联型。本节先介绍比较简单的并联型硅稳压管稳压电路。,任务3：稳压电路,1.3.1稳压二极管,稳压二极管就是通过半导体特殊工艺处理后，使它具有很陡峭的反向击穿特性的二极管。又称齐纳二极管（Zenerdiode），简称稳压管。稳压二极管的电路符号与其伏安特性如图所示。常用稳压二极管有2CW和2DW系列。,稳压二极管实物图,任务3：稳压电路,1.3.1稳压二极管,1稳压管的工作条件,(1)外加电压反偏且大于反向击穿电压，即工作在反向击穿区。(2)工作电流I必须满足：IZIIZmax。,任务3：稳压电路,1.3.1稳压二极管,2稳压管主要参数,(1)稳定电压UZ它是指稳压管中电流为规定值IZ时的反向击穿电压。(2)稳定电流IZ它是指保持稳定电压UZ时的电流。也就是管子的最小稳定电流IZminIZ。当反向击穿电流小于IZmin时，管子不能稳压或效果不好。(3)最大耗散功率PM和最大工作电流IZMPM为稳压管所允许的最大功率，IZM为稳压管允许流过的最大工作电流，超过PM或IZM时，管子因温度过高而损坏。PMUZIZM,任务3：稳压电路,1.3.1稳压二极管,(4)动态内阻rZ它是指稳压管两端电压变化量UZ与相应电流变化量IZ之比值。它反映管子的稳压性能，rZ越小，稳压性能越好。,通常UZ5V的稳压管具有负温度系数，UZ8V的稳压管具有正温度系数，而UZ在6V左右时稳压管（如2DW7型）的温度系数最小。,(5)稳定电压的温度系数CTV稳压管中流过的电流为IZ时，环境温度每变化1，稳定电压相对变化量（用百分数表示）称为稳定电压的温度系数。它表示温度变化对稳定电压UZ的影响程度。,2稳压管主要参数,任务3：稳压电路,1.3.1稳压二极管,因稳压管与负载并联而得名，又称硅稳压管稳压电路（Zenervoltageregualator）。图中R为限流电阻（Limitingcurrentresistance）,限制IZ，防止超过IZM而损坏。,1.电路组成,任务3：稳压电路,1.3.2并联型稳压电路,稳压条件：,稳压管正常工作时必须反偏，且反偏电流IZ必须满足：IZminIZIZM,式中，Izmin为使稳压管稳压的最小电流，在元件手册中查得的IZ即为Izmin。,任务3：稳压电路,1.3.2并联型稳压电路,2.工作原理,（1）电源不稳定的主要原因,电网电压波动；RL变化。,（2）稳压原理,UI,UI,任务3：稳压电路,1.3.2并联型稳压电路,当输入直流电压最低（UImin）而负载电流最大（ILmax）时，IZ最小，其值应大于Izmin，否则稳压管不能可靠地稳压。,3.限流电阻的选择,任务3：稳压电路,1.3.2并联型稳压电路,当输入直流电压最高(UImax)而负载电流最小时（IL=0），IZ最大，其值小于IZM，否则，会使稳压管过热而损坏。即,故,R应满足：,3.限流电阻的选择,任务3：稳压电路,1.3.2并联型稳压电路,任务4：线性集成稳压电路,1.4.1三端固定式集成稳压器,17800、7900系列集成稳压器,电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78系列和负电压输出的79系列。输出正电压系列（78）的集成稳压器其电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V七种。例：7805、7806、7809等，其中字头78表示输出电压为正值，后面数字表示输出电压的稳压值。,任务4：线性集成稳压电路,1.4.1三端固定式集成稳压器,17800、7900系列集成稳压器,固定三端稳压器的封装形式：有金属外壳封装和塑料封装，外形图参见下图所示。,任务4：线性集成稳压电路,1.4.1三端固定式集成稳压器,2三端稳压器的内部电路结构,内部组成在串联型稳压电路基础上增加了启动电路、过热过流保护电路和电流源电路。,任务4：线性集成稳压电路,1.4.1三端固定式集成稳压器,3三端稳压器的应用电路,（1）基本应用电路,为了保证稳压性能，使用三端稳压器时，输入电压与输出电压相差至少2V以上，但也不能太大，太大则会增大器件本身的功耗以至于损坏器件。在输入与公共端之间接了0.33F左右的电容Ci，可以防止自激振荡。在输出端与公共端之间接了0.1F左右的电容Co，可以消除高频噪声。还可在输入端和输出端反向接一个二极管，这样在输出电压高于输入电压时使Co不通过稳压器放电，从而起到保护作用。,任务4：线性集成稳压电路,1.4.1三端固定式集成稳压器,3三端稳压器的应用电路,如下图图所示采用7805和7905组成具有+5V和-5V输出的稳压电路。,（2）输出正、负电压的电路,任务4：线性集成稳压电路,1.4.1三端固定式集成稳压器,3三端稳压器的应用电路,（2）扩大输出电流电路,为使负载电流大于三端稳压器的输出电流，可采用射极输出器进行电流放大，如图所示。在稳压器的公共端接了一个二极管的作用是消除UBE对UO的影响，如果三端稳压器的输出电压为UO，则电路的输出电压UO=UO+UD-UBE，若UBE=UD，则UO=UO。此时负载上的输出电流为：,1.4.1三端固定式集成稳压器,3三端稳压器的应用电路,（4）扩大输出电压电路,任务4：线性集成稳压电路,1.4.2三端可调稳压器,1三端可调集成稳压器的型号、外形及引脚排列,任务4：线性集成稳压电路,三端可调式集成稳压器输出电压可调，稳压精度高，输出纹波小，只需外接两只不同的电阻，即可获得各种输出电压。它可分为三端可调正电压与负电压稳压器，产品分类见表所示。,1.4.2三端可调稳压器,1三端可调集成稳压器的型号、外形及引脚排列,任务4：线性集成稳压电路,1.4.2三端可调稳压器,2LM317集成稳压器的应用电路,任务4：线性集成稳压电路,1.5.1认识发光二级管,任务5：电源指示电路,发光二极管（Ligh