项目1 直流稳压电源的制作1.ppt

21世纪普通高等职业教育机械电子系列规划教材机电一体化技术专业,模拟电子技术项目教程主讲：周宗斌（高级工程师讲师）,4,项目一直流稳压电源的制作22”,项目1直流稳压电源的制作,任务1二极管的认识与选择任务2单相整流滤波电路的分析与应用任务3三端式集成稳压器的应用,当由交流电网供电时，则需要把电网供给的交流电转换为稳定的直流电。直流稳压电源一般由交流电源变压器、整流、滤波和稳压电路等几部分组成。如图1.1所示。,图1.1直流稳压电源的组成,项目剖析,交流电,220V市电,脉动直流电,直流电,图1.2所示的电路为固定式输出的直流稳压电源的电路图，它的功能是将交流电转换成稳定输出的直流电。,项目剖析,图1.2直流稳压电源,整流桥,电容滤波器,稳压器,+15V直流电,本项目需要完成以下三个任务：,项目1直流稳压电源的制作,任务1二极管的认识与选择任务2单相整流滤波电路的分析与应用任务3三端式集成稳压器的应用,1.1.1半导体基本知识1半导体材料的基本特性,任务1二极管的认识与选择,在自然界中，物质存在的形式多种多样。根据其导电性能的不同，大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。由于半导体导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，所以半导体具有以下特殊性质。,（1）热敏性所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。（2）光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。（3）杂敏性所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。半导体之所以具有上述特性，根本原因在于其特殊的原子结构和导电机理。,任务1二极管的认识与选择,2.本征半导体无杂质的纯净单晶半导体称为本征半导体。（1）本征半导体的原子结构原子由原子核和电子构成，原子核由带正电的质子和不带电的中子构成，电子带负电并围绕原子核旋转。电子以不同的距离在核外分层排布，距核越远，电子的能量越高，最外层的电子被称为价电子，物质的化学性质就是由价电子的数目决定的。,任务1二极管的认识与选择,目前所用的半导体材料仍然主要是硅和锗。,任务1二极管的认识与选择,图1.3硅和锗的原子结构简化模型,图1.4硅和锗四面体结构,（2）本征激发共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强，当价电子在外部能量（如光照、升温、电磁场激发等）作用下，一部分价电子就可能挣脱共价键的束缚成为自由电子，这一过程叫本征激发。,任务1二极管的认识与选择,图1.5硅和锗晶体结构平面图图1.6半导体中的两种载流子,电子和空穴是成对出现的,【问题的提出】为什么要对半导体进行掺杂？本征半导体的电阻率比较大，载流子浓度又小，且对温度变化敏感，因此它的用途很有限。掺入杂质的本征半导体叫杂质半导体。根据掺入杂质性质的不同，可分为两种：电子型半导体和空穴型半导体。,任务1二极管的认识与选择,图2.5三极管内部载流子运动,3杂质半导体,(a)N型半导体(b)P型半导体图1.7两种杂质半导体,任务1二极管的认识与选择,（1)N型半导体在本征半导体中掺入正五价元素(如磷、砷)使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，可以形成N型半导体。（2)P型半导体当本征半导体中掺入正三价杂质元素（如硼、镓）时，三价元素原子为形成四对共价键使结构稳定，常吸引附近半导体原子的价电子，从而产生一个空穴和一个负离子，故这种杂质半导体的多数载流子是空穴，因为空穴带正电，所以称为P型半导体，也称为空穴半导体。,任务1二极管的认识与选择,1.1.2PN结的形成,在P型和N型半导体结合后，在其交界面两侧，由于自由电子和空穴的浓度相差悬殊（N型区内自由电子很多而空穴很少，P型区内空穴很多而自由电子很少），这样，自由电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，即N区中的多数载流子自由电子要向P区扩散，同时P区中的多数载流空穴也要向N区扩散，并且当电子和空穴相遇时，将发生复合而消失。,1.PN结的形成,图1.8PN结的形成,2.PN结的单向导电性在PN结的两端引出电极，P区的一端称为阳极，N区的一端称为阴极。在PN结的两端外加不同极性的电压时，PN结表现出截然不同的导电性能，称为PN结的单向导电性。（1）在外加正向电压时PN结处于导通状态当外加电压使PN结的阳极电位高于阴极时，称PN结外加正向电压或PN结正向偏置(简称正偏)。,任务1二极管的认识与选择,图1.9PN结加正向偏置导通时的情况,当外加电压使PN结的阳极电位低于阴极时，称PN结外加反向电压或PN结反向偏置(简称反偏)如图1.10所示。此时，外加电场与内电场的方向一致，并与内电场一起阻止扩散运动而促进漂移运动。,任务1二极管的认识与选择,（2）在外加反向电压时PN结处于截止状态,图1.10PN结加反向偏置时截止,【重要结论】PN结的单向导电性可概括为：正向导通，反向截止。,（3）PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。此时，PN结的单向导电性被破坏。反向击穿分为电击穿和热击穿。电击穿包括雪崩击穿和齐纳击穿。,任务1二极管的认识与选择,1.1.3二极管的认识1.半导体二极管的结构及符号,任务1二极管的认识与选择,在一个PN结的两端加上电极引线并用外壳封装起来，就构成了半导体二极管。由P型半导体引出的电极，叫做正极(或阳极)，由N型半导体引出的电极，叫做负极(或阴极)。二极管的结构外形及在电路中的符号如图1.11所示。在图1.11(b)所示电路符号中，箭头指向为正向导通电流方向，二极管的文字符号在国际标准中用VD表示。,图1.11二极管的符号和结构（a）结构；（b）符号,二极管常见的封装形式如图1.12所示。,任务1二极管的认识与选择,图1.12二极管的常见封装形式,按照结构工艺的不同，二极管有点接触型和面接触型两类。它们的管芯结构如图1.13所示。,图1.13二极管的结构示意图（a）点接触型；（b）面接触型；（c）硅平面型,任务1二极管的认识与选择,部分二极管实物如图1.14所示。,图1.14半导体二极管示例,任务1二极管的认识与选择,（1）正向特性当二极管加上很低的正向电压时，外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所形成的阻力，故正向电流很小，二极管呈现很大的电阻，正向电压较小时，正向电流极小(几乎为零)，这一部分称为死区，相应的A(A)点的电压命名为死区电压。当正向电压超过死区电压后，内电场被大大削弱，电流增长很快，二极管电阻变得很小。死区电压又称阀值电压。,2.半导体二极管的伏安特性既然半导体二极管的核心是一个PN结，它必然具有PN结的单向导电性。常利用伏一安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。伏安特性：是指二极管两端电压和流过二极管电流的关系。,任务1二极管的认识与选择,【注意】二极管正向导通时，要特别注意它的正向电流不能超过最大值，否则将烧坏PN结。（2）反向特性二极管加上反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，因而形成很小的反向电流。如图1.15中0C(或OC)段所示。反向电流有两个特性，一是它随温度的上升增长很快，二极管的特性与其工作环境的温度有很大关系，在室温附近，温度每升高，反向电流约增加一倍；二是在反向电压不超过某一数值时，反向电流不随反向电压改变而改变，故这个电流称为反向饱和电流。,（3）反向击穿特性当外加反向电压过高时，反向电流将突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为电击穿。二极管被击穿后，一般不能恢复原来的性能。产生击穿时加在二极管上的反向电压称为反向击穿电压。如图1.15中CD(或CD)段所示。,任务1二极管的认识与选择,图l.15二极管的伏安特性曲线,任务1二极管的认识与选择,【仿真演示】二极管单向导电性的仿真测试（1）二极管加正向电压在multisim的环境下，画出下列电路图。,（2）测试表格启动仿真开关，然后敲击键盘字母A，可一次改变R1的百分比，记录电表显示的读数，如表1.1所示。,任务1二极管的认识与选择,（3）二极管加反向电压在multisim的环境下，画出下列电路图。,表1.1二极管的正向导电性,任务1二极管的认识与选择,（4）测试表格启动仿真开关，然后敲击键盘字母A，可一次改变R1的百分比，记录电表显示的读数。（5）根据仿真结果画出伏安特性曲线（请读者自己画出）。,表1.2二极管的反向导电性,任务1二极管的认识与选择3.理想二极管【问题的提出】为什么要对二极管进行理想化处理？理想二极管：二极管的死区电压和导通电压都等于零。,（1）理想二极管等效电路,图1.18理想二极管模型,（2）恒压模型,任务1二极管的认识与选择,图1.19恒压降模型,任务1二极管的认识与选择,【问题的提出】为了使二极管在电路中能安全可靠地工作，在选择和使用二极管的时候，必须要充分注意它的那些参数呢？二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，还可用一些数据来说明，这些数据就是二极管的参数。各种参数都可从半导体器件手册中查出，下面介绍几个常用的主要参数。(1)最大整流电流IF(2)反向峰值电压URM(3)反向峰值电流IRM(4)反向电流IR(5)二极管的直流电阻(6)最高工作频率fM(7)反向恢复时间tre(8)二极管的极间电容(9)最大浪涌电流Isurge(10)最大功率P,任务1二极管的认识与选择,1.1.4二极管的应用1.限幅与钳位作用（1）限幅应用利用二极管的单向导电性，将输入电压限定在要求的范围之内，叫做限幅。【例1.1】在如图1.20(a)所示的电路中，已知输入电压，电源电动势E5V，二极管为理想元件，试画出输出电压的波形。解：根据二极管的单向导电特性可知，当ui5V时，二极管D截止，相当于开路，因电阻R中无电流流过，故输出电压与输入电压相等，即uo=ui；当ui5V时，二极管D导通，相当于短路，故输出电压等于电源电动势，即uo=E=5V。所以，在输出电压的波形中，5V以上的波形均被削去，输出电压被限制在5V以内，波形如图1.20(b)所示。在这里，二极管起限幅作用。,任务1二极管的认识与选择,图1.20限幅电路(a)电路；(b)输入与输出电压波形,【注意】作图时，uo和ui的波形在时间轴上要对应，这样才能正确反映uo的变化过程。,上限幅,任务1二极管的认识与选择,（2）钳位应用钳位是指将某点电位钳制在一个固定电压值上，利用二极管的单向导电性在电路中可以起到钳位的作用。【例1.2】在如图1.21所示的电路中，二极管均为理想二极管，已知输入端A的电位为，B的电位，电阻R接-12V电源，求输出端F的电位。解：因为UAUB,所以二极管D1优先导通，则输出端F的电位为。当D1导通后，D2上加的是反向电压，D2因而截止。在这里，二极管D1起钳位作用，把F端的电位钳位在3V；D2起隔离作用，把输入端B和输出端F隔离开来。,任务1二极管的认识与选择,图1.21钳位电路,除了上述普通二极管外，还有一些特殊二极管，如稳压二极管、发光二极管和光电二极管等，下面对它们仅作简单的介绍。,任务1二极管的认识与选择,2.特殊二极管及其用1）稳压二极管（1）稳压管的稳压作用稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管，由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压管。如图1.22(b)所示，其差异是稳压管的反向特性曲线比较陡。从稳压管的反向特性曲线可以看出，当反向电压较小时，反向电流几乎为零，当反向电压增高到击穿电压Uz（也是稳压管的工作电压）时，反向电流Iz（稳压管的工作电流）会急剧增加，稳压管反向击穿。在外加反向电压撤除后，稳压管又恢复正常，即它的反向击穿是可逆的。从反向特性曲线上可以看出，当稳压管工作于反向击穿区时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小，利用这一特性可以起到稳定电压的作用。但是，如果稳压管的反向电流超过允许值，则它将会因过热而损坏。所以，与稳压管配合的电阻要适当，才能起稳压作用。图1.22(a)所示为稳压管的符号。,任务1二极管的认识与选择,图1.22稳压管的符号、伏安特性曲线、稳压电路,稳压管正常工作的条件有两条，一是工作在反向击穿状态,二是稳压管中的电流要在稳定电流和最大允许电流之间。当稳压管正偏时，它相当于一个普通二极管。图1.22（c）为最常用的稳压电路，当U或RL变化时，稳压管中的电流发生变化，但在一定范围内其端电压变化很小，因此起到稳定输出电压的作用。,任务1二极管的认识与选择,（2）稳压管的主要参数【问题的提出】为了正确使用稳压管，在选择和使用稳压管的时候，要注意它的那些参数呢？稳压管的主要参数有：稳定电压UZ稳定电流IZ最大稳定电流IZM动态电阻rZ最允许耗散功率PZM,任务1二极管的认识与选择,2）光电二极管光电二极管又称光敏二极管，也是一种特殊二极管。它的特点是：在电路中它一般处于反向工作状态，当没有光照射时，光电二极管的伏安特性与普通二极管一样，其反向电阻很大，PN结流过的反向电流很小；当光线照射于它的PN结时，可以成对地产生自由电子和空穴，使半导体中少数载流子的浓度提高。这些载流子在一定的反向偏置电压作用下可以产生漂移电流，使反向电流增加。因此它的反向电流随光照强度的增加而线性增加，如果光的照度发生改变，电子空穴对的浓度也相应改变，光电流强度也随之改变。可见光电二极管能将光信号转变为电信号输出。,任务1二极管的认识与选择,光电二极管的管壳上有一个玻璃口，以便接受光照，光电二极管的伏安特性曲线及符号如图1.23所示。,图1.23光电二极管的伏安特性曲线及符号（a）特性曲线；（b）符号,任务1二极管的认识与选择,光电二极管的主要参数有：暗电流：无光照时的反向饱和电流。一般50V的要求即可。整流管用1N4001或1N4002即可满足。,任务3三端式集成稳压器的应用,（4）因为，这里取。由式，则,所设计的电路如图1.57所示，图中C1用于抑制芯片自激，应尽量靠近稳压器管脚；C2用于限制芯片高频带宽，减小高频噪声。C1一般取0.33F，C2一般取1F。,可取C=2000F，这里取标称值C=2200F。最终选用C的容量为2200uF、耐压为50V的电解电容器。,图1.57固定输出集成稳压电路,1.3.3可调输出三端式集成直流稳压电路的设计1.基准电压源电路用W117组成的基准电压源电路，输出端和调整端之间的电压是非常稳定的电压，设其电压为UREF，其值为1.25V。输出电流可达1.5A。图中R为泄放电阻，若最小负载电流取5mA，则可以计算出R的最大值。实际取值可略小于250，如取240。,任务3三端式集成稳压器的应用,2可调电压输出三端式集成直流稳压电路的设计例如设计并制作一个连续可调直流稳压电源，主要技术指标要求：1）输出电压可调：2）最大输出电流：3）输出电压变化量：4）稳压系数：（1）根据设计所要求的性能指标，选择集成正电压输出的三端可调稳压器LM317。输出电压可调范围：1.2V37V；输出负载电流：1.5A；输入与输出工作压差：U=UiUo=340V。,任务3三端式集成稳压器的应用,它只需外接两个电阻(R1和RP)来确定输出电压，RP一般使用精密电位器。为了使电路正常工作，它的输出电流不应小于5mA，调节端的电流约为50A，其典型应用电路如图1.60所示。电路中C1为预防自激振荡产生，C2用来改善输出电压波形。输出电压为,任务3三端式集成稳压器的应用,图1.60基准电压源电路图1.61典型应用电路,任务3三端式集成稳压器的应用,任务3三端式集成稳压器的应用,总体设计的电路如图1.62所示,图1.62可调输出集成稳压电路,若在图1.62的基础上，配上由W137组成的负电源电路，即可构成正、负输出电压可调的稳压电源，如图1.63所示。该电源输出电压调节范围为土1.25一土20V，输出电流为lA。,任务3三端式集成稳压器的应用,图1.63正负对称输出的可调稳压电路,项目制作,【项目制作】三端集成直流稳压电源的组装与调试1.设计内容及要求及要求1）设计三端双电源稳压电源具体指标如下：（1）输出电压Uo=15V；（2）最大输出电流Iomax=1A；（3）输出纹波小于5mV。2）直流稳压电源的制作要求：（1）画出实际设计电路原理图和印制板图（2）写出元器件及参数选择（3）元器件的检测（4）元器件的预处理（5）基于PCB板的元器件焊接与电路装配（6）在制作过程中发现问题并能解决问题3）研究集成稳压器的特点和性能指标的测试方法,项目制作,2.原理图,项目制作,3.仿真输出波形,项目制作,4.印制电路图,项目制作,5.元件安装焊接图,项目制作,6.实践制作过程1）识读三端稳压电源电路原理图和印制电路图。2）先在印制电路板上找到相对应的元器件的位置，将元器件成形。3）采用边插装边焊接的方法依次正确插装焊接好元器件（注意发光二极管、电解电容的正、负极）。4）安装变压器，再用电烙铁焊接好变压器（注意此时不要急于把变压器的初级和交流电源相连）。5）检查焊接的电路中元器件是否有假焊、漏焊，以及元器件的极性是否正确。6）通电试验，观察电路通电情况。,项目制作,7整机调测1）测在路直流电阻在路直流电阻的测量，在不通电的情况下进行。用万用表电阻档测变压器初级电阻为，次级电阻为；2）通电调测当测得各在路直流电阻正常时，即可认为电路中无明显的短路现象，可用单手操作法进行通电调测。它可以有效地避免因双手操作不慎而引起的电击等意外事故。（1）变压器部分用万用表交流电压档，选择合适量程测电源变压器初级电压为V，次级电压为V。（2）整流滤波部分（断开C、D）用万用表直流电压档测C、G测试点之间电压，UCGV；测D、G测试点之间电压，UDGV。注意：G为测试的零电位参考点。（3）稳压部分（接上C、D）用万用表直流电压档搭接于输出端，测量稳压电路输出电压UEGV，UFGV【想一想】直流稳压电源常见故障及排除方法有哪些？,项目小结,1.运载电荷的粒子称为载流子。半导体中有两种载流子：电子和空穴，电子带负电，空穴带正电。在半导体中用掺杂的方法可以得到两种导电类型的半导体：P型和N型半导体，P型半导体主要靠空穴导电，N型半导体主要靠电子导电。2.P型半导体和N型半导体相结合形成PN结，它是载流子扩散运动和漂移运动相平衡的结果，PN结具有单相导电性，外加正向电压时，呈现很小的正向电阻，有较大的正向电流，相当于导通状态；外加反向电压时，呈现很大的反向电阻，只有很小的反向电流，相当于截止状态。3.半导体二极管是由半导体材料通过特殊掺杂工艺形成的PN结制成的，其基本特性是单向导电性。二极管(或PN结)的单向导电性源于半导体材料的导电特性，而半导体材料的导电特性取决于它的共价键结构。4.二极管在电子电路中的应用很广泛，在分折或计算二极管电路时，为了方便，通常总是将非线性的二极管转换成在不同条件下的各种线性电路模型。其中理想模型最简单，应用也最普遍。普通二极管通常多用于交变信号的钳位、限幅、整流、稳压、元件保护等。5.各种特殊二极管都是利用二极管特性的不同侧面，通过特定的工艺制造出来的它们各具特色，广泛地应用于各种不同场合。例如，利用击穿特性制造的稳压二极管，常用于稳定直流电压；用化合物制成的发光二极管常用来做显示器件等。,6.直流稳压电源由整流电路、滤波电路和稳压电路组成。整流电路将交流电压变为脉动的直流电压，滤波电路可减小脉动使直流电压平滑，稳压电路的作用是在电网电压波动或负载电流变化时保持输出电压基本不变。7.整流电路有半波和全波两种，最常用的是单相桥式整流电路。分析整流电路时，应分别判断在变压器副边电压正、负半周两种情况下二极管的工作状态，从而得到负载两端电压、二极管端电压及其电流波形并由此得到输出电压和电流的平均值，以及二极管的最大整流平均电流和所能承受的最高反向电压。8.滤波电路的作用是利用储能元件滤去脉动直流电压中的交流成分，使输出电压趋于平滑。常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、各种复式滤波电路。若对滤波要求较高时，可采用由LC元件或RC元件组成的组合式滤波电路。9.集成稳压器仅有输入端、输出端和公共端三个引出端。集成稳压器具有体积小、可靠性高、温度特性好、稳压性能好、安装调试方便等突出的优点，并且经过适当的设计加接外接电路后可以扩展其性能和功能，因此已被广泛采用。,项目小结,思考与练习1参考答案,1.1选择题（1）A（2）A（3）B（4）A（5）C（6）C（7）B、A（8）A，C（9）A（10）A（11）C（12）C1.2答：所谓本征半导体就是指完全纯净的、结构完整的半导体。在本征半导体中掺入杂质后的半导体称为杂质半导体。本征的半导体中的自由电子数量和空穴的数量是相等的，而杂质半导体中根据掺杂的元素不同可分为N型半导体和P型半导体，在N型半导体中电子的浓度远远大于空穴的浓度，而P型半导体恰恰相反。1.3答：在本征半导体中，由于半导体最外层有四个电子，它与周边原子的外层电子组成共价键结构，价电子不仅受到本身原子核的约束，而且受到相邻原子核的约束，不易摆脱形成自由电子。但是，在掺杂的半导体中，杂质与周边的半导体的外层电子组成共价键，由于杂质半导体的外层电子或多（5价元素）或少（3价元素），必然有除形成共价键外多余的电子或不足的空穴，这些电子或空穴，或者由于受到原子核的约束较少容易摆脱，或者容易被其它的电子填充，就形成了容易导电的多数载流子。而少数载流子是相对于多数载流子而言的另一种载流子，它是由于温度、电场等因素的影响，获得更多的能量而摆脱约束形成的。,思考与练习1参考答案,1.4答：当PN结加反向电压（P极接电源负极，N极接电源正极）超过一定的时候，反向电流突然急剧增加，这种现象叫做PN结的反向击穿。击穿分为齐纳击穿和雪崩击穿两种，齐纳击穿是由于PN结中的掺杂浓度过高引起的，而雪崩击穿则是由于强电场引起的。PN结的击穿并不意味着PN结坏了，只要能够控制流过PN结的电流在PN结的允许范围内，不会使PN结过热而烧坏，则PN结的性能是可以恢复正常的，稳压二极管正式利用了二极管的反向特性，才能保证输出电压的稳定。1.5解：对于图(a)，在闭合回路中12V电源大于6V电源，故在二极管D的两端加了正向电压，二极管导通，由于是理想二极管，二极管的管压降为0，所以UAO=-6V；对于图(b)，假定D1、D2截止，A点电位是-12V，D1的阳极电位是0V，D2的阳极电位是-15V，所以D1两端加正向电压导通，D2加反向电压截止，因此，UAO=0V对于图(c)，同样假定D1、D2截止，A点电位是12V，D1的阴极电位是-6V，D2的阴极电位是0V，两个二极管都具备导通条件，但一旦D1导通，A点的电位就为-6V，D2两端加反向电压，故D2必截止，所以输出UAO=-6V（也可以假定D2导通，则A点电位为0V，而D1仍是正向偏置，所以D1必然导通，一旦D1导通，