极管与线性集成直流稳压电源设计与制作

电子技术与项目训练I,项目1设计与制作线性集成直流稳压电源,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,学习目标,能正确识别各种二极管，能正确测试各种二极管的基本特性会查阅电子元器件手册并会正确选用二极管会利用等效模型正确分析二极管在其基本应用电路中的作用了解半导体二极管及其基本特性：二极管的结构与符号、二极管的单向导电特性、二极管的反向击穿特性、二极管的光电效应、二极管的温度特性能正确测试直流稳压电源及其单元电路的基本特性理解集成直流稳压电源的组成、工作原理及电路中各元器件的作用能利用二极管、电容、集成稳压器设计和制作直流电源，并能通过测试得到正确结果,任务1-1半导体二极管的识别与基本特性的测试任务1-2半导体二极管基本应用电路的测试与分析任务1-3稳压电路的测试与分析任务1-4线性集成直流稳压电源的设计与制作,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,它们有什么实际用途?它们之间有什么关系呢？,您能识别下面这些是什么吗？,上页,下页,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,直流电源已成为人们日常生活中不可缺少的一部分。直流稳压电源由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路等环节组成。,可见，二极管在直流稳压电源电路中具有重要的地位！,变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。,整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压U3。,滤波:将脉动直流电压U3转变为平滑的直流电压U4。,稳压:清除电网波动及负载变化的影响,输出直流电压。,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,任务1:半导体二极管的识别与基本特性的测试,能识别各类半导体二极管整流、检波二极管的测试与分析特殊二极管的测试与分析,任务目标,能力目标,会用万用表测量二极管（包括特殊二极管）判别正负极及好坏会选用二极管,知识目标,掌握半导体二极管的种类、结构与符号，二极管的单向导电性；掌握二极管的伏安特性；,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,（一）二极管结构、符号和类型,*PN结,二极管=PN结+管壳+引线,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,二极管类型,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,砷化镓二极管,PN结电容小，用于检波和变频等电路。,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、阻尼等二极管按封装形式分:有塑封及金属封等二极管。按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极管。,附录1,布置课堂操作任务,本次课堂训练操作将记录成绩,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,任务1：二极管的识别,第一步,把这几种二极管编号1N400712AP912CW531FG1130031,第二步,第三步,观察这几种二极管的外形,根据二极管型号查阅附录2确定二极管的名称、符号与用途,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,任务2：用指针万用表检测整流、检波二极管,第二步,首先假定1N4007的一端为正极，用两表棒分别接触1N4007的两引脚，测量电阻的大小并记录,第三步,第四步,第五步,以同样的步骤测试2AP9，记录测量结果,交换红黑表棒的位置，再次测量并记录电阻的大小,将指针式万用表置于R1K()档，重复第二、三步,第一步,将指针万用表置于R100档,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,课堂交流,从二极管的外形能否判别其极性？无论是整流二极管或者检波二极管，在R100或者R1K档位，测量结果是否都是一次测得的电阻值大，一次测得的电阻值小？根据测量的阻值能否判断二极管的好坏？同型号的整流二极管用不同的档位测出来的电阻值是否相同？阻值不同的话能说明什么道理？,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,1.目测判别极性,（一）二极管识别、检测及二极管的特性,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,2.用万用表检测二极管,红表笔是(表内)负极,黑表笔是(表内)正极,一般硅管正向电阻为几千欧，锗管正向电阻为几百欧；反向电阻均为无穷大。,正反电阻相差不大为劣质管,正反电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路,结论：二极管具有单向导电性，二极管是非线性器件,电源的正极接阳极,负极接阴极,称二极管加正向偏置。正偏时有较大的正向电流，较小的正向电阻，即二极管导通；反接时有微小的反向饱和电流，几乎不导电，很大的反向电阻，即反偏时二极管截止。即结具有单向导电性。,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,任务3：用数字万用表检测整流、检波二极管,第二步,用红表棒接触1N4007的阳极，黑表棒接触1N4007的阴极，记录数字万用表的显示值；,第三步,第四步,交换红黑表棒，再次测量并记录数字万用表的显示值；,以同样的步骤测试2AP9，记录测量结果。,第一步,将数字万用表置于标有二极管符号的档位；(注意：数字表表棒输出正负与指针表相反),版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,课堂交流,您测得的1N4007、2AP9的导通压降分别是多少？这个结果能说明什么道理？,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,二极管的伏安特性是指二极管两端所加电压大小与流经二极管电流大小之间的关系曲线。（图中虚线为锗管的伏安特性、实线为硅管的伏安特性）,死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿电压UBR。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,小功率硅管的反向电流一般小于0.1A，锗管通常为几十A,（二）二极管的伏安特性,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,1.最大整流电流IF是二极管允许通过的最大正向平均电流。超过,二极管将过热而烧毁。2.最大反向工作电压M：二极管允许的最大工作电压。当反向电压超过此值时,二极管可能被击穿。为了留有余地,通常取击穿电压的一半作为M3.反向饱和电流IR指二极管未击穿时的反向电流值。（越小单向导电性越好）4.最高工作频率fM（超过时单向导电性变差）,半导体二极管的主要参数（P28）,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,温度对二极管特性的影响,正向压降减小，反向漂移电流增大,半导体器件特性：热敏性、光敏性、掺杂性,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,任务4：用指针万用表检测稳压、发光及光电二极管,第二步,指针万用表置R10K档，测量发光二极管的正、反向电阻值测量正、反向电阻时，注意观察二极管的亮度有无变化,第一步,指针万用表置R1K档，测量稳压二极管的正、反向电阻值,第三步,第四步,指针万用表置R1K、R10K档，测量光电二极管的正、反向电阻值（无光照情况下）,指针万用表置R1K、R10K档，测量光电二极管的正、反向电阻值（有光照情况下）,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,课堂交流,当万用表置R10K档，您测量稳压管的正、反向电阻值时，观察到什么现象？这个结果能说明什么道理？当万用表置R10K档，您测量发光二极管的正、反向电阻值时，观察到什么现象？这个结果能说明什么道理？当万用表置R1K、R10K档，您测量光电二极管的正、反向电阻值时，改变光照强度观察到什么现象？这个结果能说明什么道理？,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,1.伏安特性,符号,特性,2.工作条件：反偏,3.主要参数,稳压二极管,（四）特殊二极管,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,1.符号和特性,2.工作条件：正偏,符号,特性,3.发光类型：,可见光：红、黄、绿,不可见光：红外光,发光二极管LED(LightEmittingDiode),版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,发光二极管LED(LightEmittingDiode),显示类型：普通LED,点阵LED,七段LED,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,输出电平指示,输入为高电平时，经过非门变成低电平，发光二极管反向截止，不亮；输入为低电平时，经过非门变成高电平，发光二极管正向导通，亮。,输入为高电平时，经过非门变成低电平，发光二极管正向导通，亮；输入为低电平时，经过非门变成高电平，发光二极管反向截止，不亮。,发光二极管应用,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,1.符号和特性,符号,特性,2.工作条件：反偏,光敏二极管,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,归纳小结,第一,二极管的单向导电性，二极管“好”“坏”判别,第二,二极管的伏安特性曲线,第三,二极管的应用,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,任务1-2:半导体二极管基本应用电路的测试与分析,能力目标,会分析和仿真二极管应用电路；会用示波器测量整流滤波电路。,知识目标,掌握普通二极管的理想模型和恒压降模型；掌握桥式整流电路及电容滤波电路的输出电压与变压器副边电压的关系；掌握桥式整流电路、电容滤波电路的组成及工作原理。,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,任务1：二极管限幅电路的仿真测试,第一步,打开Multisim仿真软件,第二步,第三步,按下图连接电路，输入信号5V、1kHz的正弦信号,用示波器的双踪显示功能同时观察输入输出波形,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,课堂交流,观察到了什么？通过观察现象，分析工作原理？本仿真实验中二极管起到什么作用？,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,所谓理想二极管即：1.正向导通时死区电压和导通压降均为零，正向导通电流为2.反向截止时，反向电流为零，反向击穿电压为无穷大。,二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0,工程实践中，当二极管的正向压降远小于和它串联的电压，反向电流远小于和它并联的电流时，认为二极管是理想的。,特性,符号及等效模型,正偏导通，uD=0;反偏截止，iD=0U(BR)=,（一）二极管应用电路分析,二极管的理想模型,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,UD(on),uD=UD(on),0.7V(Si),0.2V(Ge),二极管的恒压降模型,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,例1.1硅二极管，R=2k，分别用二极管理想模型和恒压降模型求出VDD=2V、10V时IO和UO的值。,UD(on),结论：VDD大采用理想模型VDD小用恒压降模型,二极管电路分析举例,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,例1.2试求电路中电流I1、I2、IO和UO的值。,解：假设二极管断开,UP=15V,UPUN,二极管导通,等效为0.7V的恒压源,P,N,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,思考:若要构成“或”逻辑关系，应该如何改变电路？,例1.3二极管构成“门”电路，设V1、V2导通压降为0.7V，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压3V的不同组合时，求输出电压UO的值。,0V,0V,0V,3V,3V,0V,3V,3V,注意优先权！,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,例1.4ui=2sint(V),分析二极管的限幅作用。,ui较小，宜采用恒压降模型,思考题:,V1、V2支路各串联恒压源，输出波形如何?,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,理想二极管：,正偏导通电压降为零相当开关合上,反偏截止电流为零相当开关断开,恒压降模型：,正偏电压UD(on)时导通等效为恒压源UD(on),否则截止，相当于二极管支路断开,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,任务2：半波整流电路的测试,第一步,按下图连接电路，输入220V、50Hz的正弦交流信号,第二步,第三步,用示波器的双踪显示功能同时观察输入输出波形,万用表交流档测量变压器次级（即整流电路输入）电压大小万用表直流档测量负载上（即整流电路的输出）电压大小,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,课堂交流,根据测试结果，输入是双极性电压信号时，输出是双极性还是单极性电压信号？是半波还是全波波形？整流电路的输出电压最大值与输入电压最大值是否近似相等？输出电压有效值与输入电压有效值相比大约为多少倍？,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,1)整流输出电压平均值,2)二极管平均电流,3)二极管最大反向压,（二）半波整流电路分析,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,任务3：桥式整流电路的测试,第一步,按下图连接电路，输入220V、50Hz的正弦交流信号,第二步,第三步,用示波器的单通道分两次观察整流电路输入、输出波形注意：不能用示波器的双踪功能同时观察输入输出波形,万用表交流档测量变压器次级（即整流电路输入）电压大小万用表直流档测量负载上（即整流电路的输出）电压大小,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,课堂交流,根据测试结果，输入是双极性电压信号时，输出是双极性还是单极性电压信号？是半波还是全波波形？整流电路的输出电压最大值与输入电压最大值是否近似相等？输出电压有效值与输入电压有效值相比大约为多少倍？,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,RL,io,V4,V3,V2,V1,+uo,u2,u1,输入正半周,输入负半周,（三）桥式整流电路分析,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,参数估算,1)整流输出电压平均值,2)二极管平均电流,3)二极管最大反向压,根据ID和URM可以选择合适的整流二极管：IFID；URURM,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,桥式整流电路简化图,整流桥,把四只二极管封装在一起称为整流桥,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,集成硅整流桥：,相同极性接在一起的一对顶点接向直流负载RL,不同极性接在一起的一对顶点接向交流电源。,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,任务4：电容滤波电路的测试,第一步,按下图连接电路，注意电解电容的极性,第二步,第三步,第四步,用万用表直流和交流档分别测量接入不同电容和负载时，输出电压中所包含直流电压和交流电压的大小,RL先不接，分别接入10、470F电容，用示波器观察波形,接入RL=1K、100，再次用示波器观察输出波形,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,课堂交流,根据测试结果，空载和有载两种情况下输出电压有何区别？观察到滤波电路的输出电压是怎样的？,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,1.电容滤波电路,VD导通时给C充电,VD截止时C向RL放电,滤波后uo的波形变得平缓,平均值提高。,电容充电,电容放电,RL,VD1,VD4,VD3,VD2,io,+uo=uc,+u,（四）滤波电路分析,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,当负载为空载（即RL=）时:,通常取,RC越大UO越大,RL=,为获得良好滤波效果,一般取:,(T为输入交流电压的周期),电容滤波电路只适用于的场合。,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,例1.5单相桥式整流电容滤波电路，交流电源频率f=50Hz,负载电阻RL=40,要求直流输出电压UO=20V,选择整流二极管及滤波电容。,解:,1.选二极管,选二极管应满足:,电流平均值:,承受最高反压：,2.选滤波电容,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,2.电感滤波电路,整流后的输出电压：,直流分量被电感L短路交流分量主要降在L上,电感越大，滤波效果越好,输出电压平均值:,电感滤波适用于负载电流较大的场合。它的缺点是制作复杂、体积大、笨重且存在电磁干扰。,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,3.其它滤波电路,为进一步改善滤波特性，可将上述滤波电路组合起来使用。,LC滤波电路,RC型滤波电路,C1、C2对交流容抗小,L对交流感抗很大,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,归纳小结,第一,二极管的等效电路模型,第二,半波整流：UL=0.45U2URM=1.4U2桥式整流：UL=0.9U2URM=1.4U2,第三,电容滤波（桥式整流）：UL=1.2U2电感滤波：UL=0.9U,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,任务1-3:稳压电路的测试与分析,能力目标,会用万用表测量稳压二极管，判别正负极及好坏，能合理选用稳压管及限流电阻；会分析稳压管稳压电路；能对三端稳压器电路进行分析和计算。,知识目标,掌握稳压管稳压电路的稳压原理；掌握三端集成稳压器的使用方法；掌握三端集成稳压器电路的组成及工作原理。,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,门电路,与门,或门,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,直流稳压电源把交流电变成直流电经过哪些环节？,交流电源,负载,220V,单向脉动电压,合适的交流电压,滤波,稳压,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,稳压管与三端稳压器,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,本次任务,稳压管稳压电路的测试与分析固定式三端稳压器电路的测试与分析可调式三端稳压器电路的测试与分析,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,任务1：稳压管稳压电路的测试,第一步,按图画好仿真电路（注意：电阻选用虚拟元件，稳压管选用现实元件）,第二步,第三步,改变输入电压的值，观察并记录万用表XMM1测量的负载RL（1K）两端输出电压的值；,当输入电压10V时，改变负载大小，记录万用表所测量的输出电压值。,上页,下页,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,课堂交流,输入电源电压或者负载发生变化时，稳压管稳压电路能否实现稳压作用？输出大约在多少V左右？但稳压电路实现稳压作用时，对输入电源电压和负载变化的范围有没有限制？,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,1.稳压原理（R为限流电阻）,I=IZ+IL,UO=UiIR,当Ui波动时(RL不变),反之亦然,当RL变化时（Ui不变）,反之亦然,（一）硅稳压管稳压电路,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,2.限流电阻的计算,（1）当Uimin，ILmax时，则IZ最小。由此可计算出限流电阻的最大值。即,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,（2）当Uimax，ILmin时，则IZ最大。由此可计算出限流电阻的最小值。即,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,思考：选择二极管限流电阻,步骤：,1.设定工作电压（如0.7V;2V(LED);UZ）,2.确定工作电流（如1mA;10mA;5mA）,3.根据欧姆定律求电阻R=（UiUV）/IV,（R要选择标称值）,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,三端固定式集成稳压器,调整管,过压保护,过热保护,启动电路,取样电路,基准电压源,过流保护,放大比较环节,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,任务2：固定式三端稳压器电路的测试,第二步,改变输入电压的值，观察并记录万用表XMM1测量的负载RL（1K）两端输出电压的值；,第三步,当输入电压10V时，改变负载大小，记录万用表所测量的输出电压值。,上页,下页,第一步,按图画好仿真电路（注意：电阻选用虚拟元件，稳压器MC7805）,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,任务2：固定式三端稳压器电路的测试,上页,下页,第四步,按图画好仿真电路。用虚拟示波器分别观察整流、滤波、稳压后的输出波形,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,课堂交流,输入电源电压或者负载在一定范围内变化时，三端稳压器能否实现稳压作用？输出大约在多少V左右？与稳压管稳压电路的测量结果比较，集成稳压器的稳压效果如何？,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,1.三端固定集成稳压器,CW7800系列(正电源),CW7900系列(负电源),5V/6V/9V/12V/15V/18V/24V,78、79系列的型号命名,输出电流,78M/79M输出电流500mA,78/79输出电流1.5A,输出电压,例如:,CW7805输出5V，最大电流1.5A,CW78M05输出5V，最大电流0.5A,CW78L05输出5V，最大电流0.1A,（二）固定式三端稳压器电路,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,三端固定集成稳压器封装与符号,封装,符号,塑料封装,金属封装78,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,2.基本应用电路,注意：输入电压Ui一般应比输出电压端Uo高3V以上。,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,3.提高输出电压电路,静态电流58mA,要求,输出电压UOU,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,4.输出正、负电压的电路,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,5.恒流源电路,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,任务3：可调式三端稳压器电路的测试,第二步,调节可变电阻R2的值，观察并记录万用表XMM1测量的输出电压的值；,第三步,将整流桥3端从变压器次级中心抽头改接到变压器次级下端，重复步骤二。,上页,下页,第一步,按图连接测试电路；,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,课堂交流,当调节可变电阻R1的值时，输出电压怎样变化？输出电压的最小值为多少？输出电压的最大值为多少？当R1与R2的比值最大时，整流桥3端从变压器次级中心抽头改接到变压器次级下端，输出电压有何变化？这个结果能说明什么道理？,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,1.三端可调输出集成稳压器,CW117/217/317系列（正电源）,CW137/237/337系列（负电源）,工作温度,CW117(137)-55150C,CW217(237)-25150C,CW317(337)0125C,基准电压,1.25V（输出端和调整端之间）,输出电流,L型输出电流100mA,M型输出电流500mA,（三）可调式三端稳压器电路,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,电容C1：防止自激。电容C2：减小电阻R2上的电压波动。D1、D2：保护二极管。,2.W117的基本应用电路,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,1.25V是稳压器输出端与调整端间的固定参考电压UREF;R1一般取值120240(此值保证稳压器在空载时也能正常工作),调节RP可改变输出电压的大小(RP取值视RL和输出电压的大小而确定)。,2.W317的基本应用电路,Ui在240V间,uo可在1.2537V间调整。,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,3.030V连续可调电路,当R2=0时，UO=0V,UA=1.25V,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,归纳小结,上页,下页,第一,直流稳压电源的组成及各组成部分作用,第二,稳压管稳压电路稳压原理及限流电阻的选择,第三,集成稳压器的类型、标识及正确选用,第四,固定式三端稳压电路组成及电路中各元器件的作用,第五,可调式三端稳压电路组成及电路中各元器件的作用,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,工作任务：集成稳压电源的设计、制作与调试设计指标：（1）交流输入电压220V1050Hz（2）直流输出电流500A（3）直流输出电压1.25V9V（4）交流纹波5V任务要求：完成原理图的设计、元器件参数的计算、元器件的选型、电路的制作与调试、电路性能的检测、设计报告的编写。,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,能力目标,会正确识别二极管、电容，会用万用表检测二极管、电容；会正确焊接；会对组装的集成直流稳压电源中的故障现象进行分析判断并加以排除。,知识目标,掌握整流二极管、电容等元件的测试方法；掌握三端集成稳压器的使用方法；进一步掌握集成直流稳压电源的电路构成、电路中各元器件的作用及整流滤波部分工作原理。,版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组,线性直流稳压电源组成框图,交流电源,负载,220V,单向脉动电压,合适的交流电压,滤波,稳压