直流稳压电源的制作.ppt

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1、项目1 直流稳压电源的制作,直流稳压电源的基本任务是将电力网交流电压变换为电子设备所需要的稳定的直流电源电压。,2,2023/6/3,内容提要,3,2023/6/3,任务一 半导体器件的识别与检测,任务目标：1了解半导体的基础知识；讨论晶体二极管的特性、参数和简单应用电路；2学习二极管、三极管使用常识和万用表检测方法任务教学方式：教学建议：半导体基础知识的学习中，应结合多媒体课件演示二极管、三极管内部结构、PN结形成机理和两者特性 评估检测：教师与学生共同完成任务的检测与评估，并能对出现的问题进行分析与处理,4,2023/6/3,任务一 半导体器件的识别与检测,1.本征半导体。纯净的单晶半导体

2、称为本征半导体。2.杂质半导体。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。（1）N型半导体。多数载流子是电子。（2）P型半导体。多数载流子是空穴。3PN结（1）PN结的形成（2）PN结的单向导电特性,知识1 半导体基本知识,在N型半导体中，虽然自由电子数远大于空穴数，但由于施主离子的存在，使正、负电荷数相等，即自由电子数等于空穴数加正离子数，所以整个半导体仍然显电中性的。,5,2023/6/3,1）PN结加正向电压2）PN结加反向电压,给P区加高电位，同时N区加低电位，称PN结加正向电压或正向偏置（简称正偏）；给P区低电位、N区高电位，称为PN结加反向电压或反向偏置（简称反偏）。,PN结具有单向导电特性

3、。,6,2023/6/3,任务一 半导体器件的识别与检测,1晶体二极管。二极管的核心是PN结。,常见晶体二极管实物外形及极性标志,知识2 晶体二极管、三极管,7,2023/6/3,通常按用途分为：整流二极管、开关二极管、检波二极管、变容二极管、稳压二极管、阻尼二极管、发光二极管、光电二极管等。按结构又分为面接触和点接触二极管。按工作原理分为隧道二极管、变容二极管、雪崩二极管等。,二极管的分类,8,2023/6/3,二极管的伏安特性,在小功率二极管正常工作的电流范围内，管压降（正向压降）硅管约为0.60.8V，锗管约为0.10.3V。,硅管的导通电压或死区电压UD（ON）为0.50.6V，锗管的

4、死区电压UD（ON）为0.10.2V。,9,2023/6/3,做一做：晶体二极管的识别与检测,10,2023/6/3,表1-4晶体二极管的检测数据记录表,11,2023/6/3,2三极管及其组成的基本放大电路,发射结,集电结,12,2023/6/3,（1）晶体管放大偏置及电流分配关系放大的外部电压条件（放大偏置）：发射结正偏、集电结反偏。,13,2023/6/3,NPN管电流分配示意图,当晶体管处于发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，由于发射结正偏，因而结两侧多子的扩散占优势，这时发射区电子源源不断地越过发射结注入到基区，形成电子注入电流IEN。注入基区的电子，成为基区中的非平衡少子，它在发射

5、结处浓度最大，而在集电结处浓度最小。在扩散过程中，非平衡电子会与基区中的空穴相遇，使部分电子因复合而失去。但由于基区很薄且空穴浓度又低，所以被复合的电子数极少，而绝大部分电子都能扩散到集电结边沿。基区中与电子复合的空穴由基极电源提供，形成基区复合电流IBN，它是基极电流IB的主要部分。由于集电结反偏，在结内形成了较强的电场，因而，使扩散到集电结边沿的电子在该电场作用下漂移到集电区，形成集电区的收集电流ICN。,14,2023/6/3,例1.1已知某晶体管处于放大状态，试判别各管脚对应的电极、管类型及管材料。,解：放大状态时，根据管子b极处于中间电极电位的特点，可确定b极；再由与Ub相差零点几伏

6、电位对应的电极为e极；最后即为c极。根据三个电极电位关系判断管类型，发射结电压值判断管材料。本题中，该管为PNP型管，脚为b、脚为e、脚为c。,15,2023/6/3,（2）晶体管伏安特性曲线,（a）共基接法（b）共射接法（c）共集接法,根据输入、输出回路公共端所接的电极不同，实际有共射极、共集电极和共基极三种基本（组态）放大器。,16,2023/6/3,共射输入特性曲线,共射输出特性曲线,输出特性曲线是反映三极管输出回路电压与电流关系的曲线，是指基极电流IB为某一定值时，集电极电流IC与集电极电压UCE之间的关系。,输入特性曲线是反映三极管输入回路电压和电流关系的关系，是表示输出电压UCE为

7、定值时，IB与UBE对应关系的曲线。,17,2023/6/3,2）饱和区。发射结和集电结均处于正偏的区域为饱和区。3）截止区。发射结和集电结均为反偏，且iB-ICBO（对于大功率管，由于ICBO很大，不能忽略其影响）的区域为截止区。,1）放大区。发射结为正偏，集电结反偏的工作区域为放大区。,18,2023/6/3,做一做：晶体三极管的识别与检测,（a）塑封管,（b）金属壳封装管,（c）片状管,19,2023/6/3,三极管集电极、发射极判别示意图,20,2023/6/3,表1-6 晶体三极管检测数据记录表,21,2023/6/3,任务二 整流滤波电路的应用,任务目标：1掌握单相半波整流电路、单

8、相全波整流电路、桥式全波整流电路、电容滤波电路、电感滤波电路的结构，能对原理进行简单的分析。2了解倍压整流原理和应用电路。任务教学方式：教学建议：采用仿真技术，对各类整流滤波电路仿真过程进行投影，通过仿真结果，重点比较它们之间的结构和特点，并进行总结,22,2023/6/3,任务二 整流滤波电路的应用,知识1 整流电路之一单相半波整流电路,（a）（b）,23,2023/6/3,电压极性如图（a）所示，在变压器次级电压u2为正半周（ab）时，整流二极管D正向偏置而导通，电流经二极管流向负载RL。而在次级电压u2为负半周时，二极管D反向偏置而截止，电流基本上等于零。所以，在负载电阻RL两端得到的电

9、压极性是单向的，因为这种电路只有在交流电压半个周期内才有电流流过负载，即负载上得到一个单向的半波脉动电流，故称半波整流电路。,U2为变压器二次绕组电压有效值,负载电流平均值,24,2023/6/3,例12 已知某单相半波整流电路的负载RL=25，若要求输出电压UL=110V，应选何种型号的整流二极管？解：由式UL=0.45U2可得：U2=UL/0.45=110/0.45244.4V Iv=UL/RL=110/25=4.4AUvfm=U2=244.4345.6V根据以上数据，查二极管工作手册，可选择最大整流电流为5A，最高反向工作电压为400V的整流二极管2CZ57F。,25,2023/6/3,

10、做一做：半波整流电路的仿真测试,26,2023/6/3,知识2 整流电路之二单相全波整流电路,u2,u2,27,2023/6/3,当u2为正半周(即极性为上正下负)时，D1正向偏置而导通、D2承受反向偏压而截止，有电流IL流过负载RL，在负载上得到的输出电压极性为上正下负；当u2为负半周时，此时D1截止、D2导通，电流IL流过负载RL时产生的电压极性与正半周相同，因此在负载上得到一个单向的脉动电压。,全波整流电路负载上的平均电流为：,在全波整流电路中，D1和D2是轮流导通的，所以每个整流管的平均电流ID应为输出平均电流的一半，即,28,2023/6/3,做一做：单相全波整流电路的仿真测试,29

11、,2023/6/3,知识3 整流电路之三单相桥式整流电路,桥式整流电路常用画法,30,2023/6/3,负载的直流电流是由二极管D1、D3和D2、D4轮流提供的，因此二极管的整流电流应是负载直流电流的一半，但二极管承受的最大反峰电压与全波整流时不同，如正半周时，D1、D3导通，D2、D4截止，此时二极管反向峰值电压等于 U2。,31,2023/6/3,例1.3 若采用单相全波桥式整流电路来获得例题1.2相同数值的输出电压和电流，问变压器次级电压应为多大？应选何种型号的整流二极管。解：变压器次级电压为：U2=UL/0.9=110/0.9122.2V二极管整流电流和反向耐压为IV=IL/2=4.4

12、/2=2.2A Uvfm=U2172.8V根据以上数据，查二极管工作手册，可选择最大整流电流为3A、最高反向工作电压为200V的整流二极管2CZ56D。,桥式全波整流电路中的电流和电压,32,2023/6/3,（a）为电容滤波电路，（b）为电感电容滤波电路（倒L型），（c）为RC-型滤波电路,滤波电路的种类,33,2023/6/3,做一做：桥式全波整流电路的仿真测试,34,2023/6/3,知识4 滤波电路之一电容滤波电路,考虑到二极管正向内阻很小，变压器次级绕组电阻也很小，uc迅速（充电时间很短）跟随u2到峰值，u2达峰值后开始下降，而电压uc也将由于放电而逐渐下降。当u2uc，二极管又导通

13、，输出电压如图（b）中实线所示。,当电路接通电源，u2的正半周由零逐渐增大时，二极管D导通，流过D的电流一路流向负载RL，一路向电容C充电贮能，电容端电压uc的极性为上正下负。,35,2023/6/3,知识4 滤波电路之一电容滤波电路,36,2023/6/3,（1）加入电容滤波之后，输出电压的直流成份提高了，脉动成分降低了。对半波整流来说，负载电压近似为 ULU2；对桥式全波整流来说，负载电压近似为 UL1.2U2。（2）若电容放电时间常数越大，放电过程越慢，则输出电压越高，同时脉动成分也越少，即滤波效果越好。所以滤波电容的容量应较大，且要求负载RL也大，因此，电容滤波适用于负载电流较小，且负

14、载电流变化不大的场合。电解电容与负载并联时，注意极性不能接反。为安全起见，电解电容耐压值应大于 U2。实际电路中，选择滤波电容时，RLC，式中T为电网交流电压的周期。（3）电容滤波电路中整流管的导通时间缩短了。当次级电压从峰值下降时，一旦小于变化中的电容端电压UC，二极管就截止，且电容放电时间常数越大，二极管导通时间越短，电流对整流管冲击越大，因此，必须选择最大整流电流较大的二极管。,37,2023/6/3,RC-型滤波电路,有源滤波电路,38,2023/6/3,做一做：电容滤波电路的仿真测试,39,2023/6/3,知识5 滤波电路之二电感滤波电路,电感滤波特点1）滤波过程中，很大一部分交流

15、分量降落在电感上，降低了负载电压的脉动成分，且电感量L越大，RL越大，滤波效果越好，因此电感滤波适用于负载电流较大的场合。但电感量大后不仅会使滤波器体积变大、重量增大，而且会使电路损耗增大。2）全波整流电路中，电感L上的反电动势有助于延长整流二极管导通时间，但四管中每两管交替导通时间仍不变，各占半个周期，这样克服了电容滤波电路中对整流管冲击电流大的缺点。3）与电容滤波电路相比，全波整流滤波电路输出电压UL较低，UO=UL=0.9U2。4）当输出电流给定时，为保持有较好的滤波特性，选用的电感LRL/3（为整流输出脉动电压的基波角频率）。对交流电源为50Hz的全波整流电路来说，LRL/942。,4

16、0,2023/6/3,其它形式的滤波电路,（a）L-C型滤波电路,（b）LC-型滤波电路,41,2023/6/3,做一做：电感滤波电路的仿真测试,42,2023/6/3,知识6 小功率稳压电源的组成,小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。,43,2023/6/3,做一做：整流滤波电路的检测,半波整流电容滤波电路检测图,44,2023/6/3,全波整流电容滤波电路检测图,45,2023/6/3,桥式整流电容滤波电路检测图,46,2023/6/3,任务三 比较放大电路的起源,任务目标：掌握共射极基本放大器的组成、原理及性能特点，认识比较放大电路的起源任务教学方式：教学

17、建议：结合与放大电路相关的多媒体课件，在“放大器的组成及其分析”的内容，重点讲授共射基本放大电路,47,2023/6/3,任务三 比较放大电路的起源,知识1 放大器的组成及其分析1共射极基本放大器结构和简单计算（1）元件作用,48,2023/6/3,图中V：晶体三极管，起电流放大作用。VCC：直流供电电源，为电路提供工作电压和电流。RB：基极偏置电阻，电源电压通过RB向基极提供合适的偏置电流IB。C1：输入耦合电容，耦合输入交流信号ui，并起隔离直流的作用。C2：输出耦合电容，耦合输出交流信号uo，并起隔离直流的作用。RC：集电极负载电阻，电源VCC通过RC为集电极供电，另一个作用是将放大的电

18、流转换为放大的电压输出。（2）放大电路的电压、电流符号规定放大电路没有输入交流信号时，三极管的各极电压和电流都为直流。当有交流信号输入时，电路的电压和电流是由直流成分和交流成分叠加而成的，为了便于区分不同的分量，通常有以下规定：,直流分量用大写字母和大写下标表示，如IB、IC、IE、UBE、UCE。交流分量用小写字母和小写下标表示，如ib、ic、ie、ube、uce。交直流叠加瞬时值用小写字母和大写下标表示，如iB、iC、iE、uBE、uCE。,49,2023/6/3,放大器直流负载线,根据晶体管的电流放大特性可得ICQ=IBQ根据基尔霍夫电压定律，通过直流通路可得出以下公式 UCEQ=VCC

19、-ICQRC,（3）放大器的静态工作点,50,2023/6/3,2放大原理,电源VBB通过偏置电阻RB提供UBEQ，基-射极间电压为交流信号ui与直流电压UBEQ的叠加，如图（a）波形，基极电流iB产生相应的变化，如图（b）所示。iB电流经放大后获得对应的集电极电流iC，如图（c）所示。iC电流大时，负载电阻RC的压降也相应大，使集电极对地的电位降低；反之iC电流变小时，集电极对地的电位升高。因此集-射极间的电压uCE波形与iC变化情况正相反，如图（d）所示。集电极的信号经过耦合电容C2后隔离了直流成分UCEQ，输出的只是放大信号的交流成分，波形如图（e）所示。综上所述，在共射极放大电路中，输

20、出电压uo与输入信号电压ui频率相同，相位相反，幅度得到放大，因此这种单级的共发射极放大电路通常也称为反相放大器。,51,2023/6/3,3放大器的主要技术指标衡量放大器性能的几个主要参数和指标有放大倍数、输入和输出电阻、频带宽度等。（1）放大倍数放大倍数是在输出波形不失真情况下输出端电量与输入端电量的比值。有电压放大倍数Au、电流放大倍数Ai和功率放大倍数Ap。（2）输入电阻和输出电阻输入电阻反映了放大器对信号源所产生的负载效应。输出电阻是从放大器输出端向放大器看进去的等效交流电阻。输出电阻越小，放大器负载变化时，输出电压越稳定。放大器还有最大输出幅度、通频带BW和最大输出功率与效率等参数

21、。,52,2023/6/3,知识2 共基极和共集电极放大电路组成及特点1共基极放大电路,共基极放大器的电压放大倍数与共射极电路相同，但为正值，即输出电压与输入电压同相。共基极放大器没有电流放大能力。共基极电路具有输入电阻小而输出电阻大的特点。,VT,53,2023/6/3,2共集电极放大电路。又称射极输出器，简称射随器或跟随器。,共集电极电路电压放大倍数Au1，且输入与输出信号同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。而射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。因此，射极输出器常作中间级，起缓冲放大及匹配作用。,V,V,54,2023/6/3,做一做：共射极基本电路和射极输出器仿真测试,单管放

22、大仿真电路,55,2023/6/3,射极输出器仿真电路,56,2023/6/3,做一做：单管共射极放大电路测试,2k基极电阻与晶体管基极相连,57,2023/6/3,任务四 基准稳压电路的来源,任务目标：1了解稳压二极管的特性；2理解并联型硅二极管稳压电路结构与工作特点，认识基准电路的起源；3学会对并联型硅二极管稳压电路进行分析与检测任务教学方式：教学建议：用多媒体课件展示稳压二极管击穿特性；“并联二极管稳压电路”的讲授重点是在其结构和电路中限流电阻的作用,58,2023/6/3,任务四 基准稳压电路的来源,知识1 稳压二极管特性,稳压二极管是一种特殊二极管，与普通二极管工作在正向、反向特性区

23、不同，稳压管专门工作于反向击穿区。,稳压二极管的主要参数有：稳定电压UZ、最小稳定电流Izmin、最大稳定电流Izmax、动态电阻rZ，还有额定功率和电压温度系数等参数。,59,2023/6/3,并联型硅稳压管稳压电路如左图所示。其工作过程如下：1假设负载RL不变，输入电压Ui变化1）若Ui升高，经R和RL分压，稳压管端电压增大，引起流过稳压管的电流急剧增加，流过限流电阻R的电流也相应增加，于是电阻R上压降增大，从而来抵消Ui 的升高，使输出电压基本不变。2）若Ui减小，则上述过程正好相反，其结果同样使输出电压Uo稳定。,Ui,Uo,Iz,UR,IR,Uo=Ui-UR,假如,60,2023/6

24、/3,2假设输入电压Ui不变，负载RL变化1）若RL阻值减小（如并入新负载瞬间），IL增大，因Ui不变，RL分压减小，输出电压下降，稳压管端电压减小，电流Iz急剧下降，即由Iz的减小来补偿IL的增大，从而抵消了负载电流变化在限流电阻上造成的电压变化，因而输出电压也基本维持稳定。,RL,Uo,Iz,IR,UR,Uo=Ui-UR,2）若RL阻值增大，则上述过程正好相反，同样能使输出电压Uo稳定。选择稳压管时，应挑选其动态内阻 rZ小的，因为rZ越小，稳压系数和输出电阻也越小，电路稳压性能越好。,61,2023/6/3,做一做：并联型二极管稳压电路仿真测试,62,2023/6/3,表1-10并联型二

25、极管稳压电路仿真结果,改变电位器中间抽头位置（用字母A键或Shift+A键调高或调低百分比），通过电压表U2观察D1（或R4）两端电压，并将示值记录于表1-10中。,63,2023/6/3,稳压二极管常见应用电路,(1)浪涌保护电路,(2)过压保护电路,(3)电弧抑制电路,(4)并联稳压电源电路,64,2023/6/3,任务五 小功率直流稳压电源的制作与调试,任务目标：1掌握串联可调式稳压电路的组成结构，并能简单分析其工作原理；2学会小功率串联可调式稳压电路的装调和检测方法任务教学方式：教学建议：串联型直流稳压电源电路仿真时，特别要强调电路结构及元件间的相互关联性；小功率直流稳压电源在装配时要

26、注意电磁兼容问题，检测时，老师应采取示范演示检测过程,65,2023/6/3,小功率直流稳压电源安装实物图,66,2023/6/3,任务五 小功率直流稳压电源的制作与调试,知识：三极管串联型可调式稳压电路的组成与分析,图中R和D组成并联型稳压电路，为调整管V提供基准电压。由于负载RL和V串联，相当于一个射极输出器。当输入电压Ui增大（或RL阻值变大）时，Ui经Uce与RL分压使Uo升高，由于Ub=Uz（稳压管的稳压值）不变，因此Ube减小，使Ib减小，Ic随之减小，导致Uce增大，使Uo下降，从而实现稳压，这是Uo和UZ的“跟随”关系。当输入电压Ui减小（或RL阻值变小）时，则上述过程正好相反

27、，也能实现稳压。,1串联稳压原理,67,2023/6/3,2典型的串联型稳压电路,Uo,Ube2,Ic2,Uc2=Ub1,Ube1,Uce1,Ic1,Ib1,Uo=Ui-Uce1,Uo=Ui-Uce1,1）当电网电压升高或负载电流减小（负载减轻）时，输出电压Uo升高这个变化通过取样电路加到比较放大管VT2的基极，基极电压上升，由于VT2的射极电位为稳定的基准电压，则Ube2增大，导致VT2基极电流和集电极电流增大，于是VT2的集电极电位下降，也即VT1的基极电位下降，则VT1的基极电流随之减小，管压降Vce1增大，从而使输出电压Uo=Ui-Uce1基本不变。,68,2023/6/3,当电网电压

28、下降或负载电流变大时，使Uo有下降趋势，则电路有下列调整趋势，来实现稳压。,Uo,Ube2,Ic2,Uc2=Ub1,Ic1,Uce1,Uo=Ui-Uce1,69,2023/6/3,3直流稳压电源应用实例,70,2023/6/3,知识2 三端集成稳压电路及应用三端固定式集成稳压器有78XX/79XX系列，为固定输出电压式稳压器，片内具有过流保护（短路）和过热保护功能，即使过负载时稳压器也不会遭到损坏，一方面限制输出电流，使其不会过大，过热时切断输出，使内部电路不致过热，有的稳压器还有使输出晶体管不超过安全区的保护电路等。三端集成固定式集成稳压器外接两个滤波电容就可构成简单稳压电路，当输入电压、输出电流或温度变化时，输出电压可保持不变。,三端固定式集成稳压封装形式,71,2023/6/3,三端固定式集成稳压器塑料封装管脚排列,三端固定集成稳压器的基本应用电路,72,2023/6/3,三端可调式集成稳压器封装形式,LM317基本应用电路,73,2023/6/3,LM317双稳压正负输出应用电路,74,2023/6/3,做一做：小功率直流稳压电源电路的制作与调试,75,2023/6/3,直流稳压电源线路板（PCB）接线图,