直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計與實現(xiàn)

直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計與實現(xiàn)第一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三1.1學(xué)習(xí)目標(biāo)：

(1)掌握線性直流穩(wěn)壓電源的器件選擇和設(shè)計制作方法；

(2)掌握直流穩(wěn)壓電路的調(diào)試。第二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三1.2任務(wù)分析任務(wù)名稱：設(shè)計制作線性直流穩(wěn)壓電源。任務(wù)背景：直流穩(wěn)壓電源作為直流能量的提供者，在各種電子設(shè)備中，有著極其重要的地位，它的性能良好與否直接影響到電子產(chǎn)品的精度、穩(wěn)定性和可靠性。本次工作任務(wù)是為一小型溫度測控系統(tǒng)提供直流穩(wěn)壓電源。第三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三任務(wù)要求：(1)完成變壓器、整流二極管、濾波電容及集成穩(wěn)壓器的選型，實現(xiàn):輸入電壓為交流220V±10%，輸出電壓為±12V和5V，輸出電流大于0.5A的直流線性穩(wěn)壓電源；(2)完成電路設(shè)計、計算機仿真、繪制電路圖，自制電路板、安裝調(diào)試；(3)撰寫設(shè)計報告、調(diào)試總結(jié)報告及使用說明書。第四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三工作任務(wù)所需要的設(shè)備、工具和材料：

雙蹤示波器、萬用表（模擬或數(shù)字），自制電路板的各種工具一套及元器件若干。第五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三這個情境同學(xué)們要做什么，將學(xué)到什么技能？

1.在老師的引導(dǎo)下，以同學(xué)們?yōu)橹黧w，以小組團(tuán)隊協(xié)作的方式，設(shè)計、動手制作一個有實用價值的直流穩(wěn)壓電源。（1）學(xué)習(xí)直流穩(wěn)壓電源的基本知識（2）直流穩(wěn)壓電源的電路原理圖和PCB版圖設(shè)計（3）電路仿真（4）元器件選型（5）電路板焊接與調(diào)試（6）故障診斷與排查2.突破以往的知識獲取模式，由被動接受向主動獲取轉(zhuǎn)變，逐步適應(yīng)教學(xué)做一體的教學(xué)方式。3.樹立團(tuán)隊協(xié)作精神。第六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三1.3任務(wù)知識點1.3.1直流穩(wěn)壓電源的組成*穩(wěn)壓電路對整流后的直流電壓采用負(fù)反饋進(jìn)一步穩(wěn)定直流電壓。*整流電路是將工頻交流電轉(zhuǎn)為具有直流電成分的脈動直流電。*濾波電路是將脈動直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分。第七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三1.3.2單相橋式整流電路特點：單向半波整流電路是最簡單的將交流電轉(zhuǎn)換成直流的電路，輸出電壓是交流輸入電壓的0.45倍，效率低，脈動程度較大，在負(fù)載電流較小和允許脈動程度較大的場合可以用半波整流。單相半波整流電路第八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三v2：變壓器副邊交流輸出的瞬時值V2：有效值第九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三2．參數(shù)計算輸出電壓是單相脈動電壓。通常用它的平均值與直流電壓等效。第十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三3．單相橋式整流電路的負(fù)載特性曲線曲線的斜率代表了整流電路的內(nèi)阻。第十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三問題與思考：（1）畫出單向橋式整流電路一個周期的電流回路示意圖。（2）說明最大值、有效值和平均值的定義；對于正弦量，這三個值之間的換算關(guān)系是什么？。（3）用數(shù)字萬用表的交流電壓檔測量交流電的電壓，表上的顯示值是最大值、有效值還是平均值？（4）我們說市電的電壓為220V，指的是最大值、有效值還是平均值？第十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三1.3.3濾波電路1.濾波的基本概念濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實現(xiàn)濾波。電容濾波第十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三電容濾波適合輸出電流較小的場合。第十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三第十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三3.電容濾波的計算電容濾波的計算比較麻煩，因為決定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細(xì)的曲線可供查閱。一般常采用以下近似估算法：一種是用鋸齒波近似表示，即

另一種是在RLC=(35)T/2的條件下，近似認(rèn)為VL=VO=1.2V2。第十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三問題與思考：（1）濾波電容越大濾波效果越好，這種說法對嗎？（2）橋式整流輸出的最大值為15V，經(jīng)過電容濾波后，空載時直流電壓值大概是多少？第十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三1.3.4穩(wěn)壓電路1.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路第十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三2.穩(wěn)壓管擴(kuò)流穩(wěn)壓電路第十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三3.串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

一般把上述電路做成78、79集成電路，稱為直流線性穩(wěn)壓集成電路。第二十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三1.3.5器件選型1．變壓器選型（1）變壓器分類按冷卻方式分類：干式（自冷）變壓器、油浸（自冷）變壓器、氟化物（蒸發(fā)冷卻）變壓器。按防潮方式分類：開放式變壓器、灌封式變壓器、密封式變壓器。按鐵芯或線圈結(jié)構(gòu)分類：芯式變壓器（插片鐵芯、C型鐵芯、鐵氧體鐵芯）、殼式變壓器（插片鐵芯、C型鐵芯、鐵氧體鐵芯）、環(huán)型變壓器、金屬箔變壓器。按電源相數(shù)分類：單相變壓器、三相變壓器、多相變壓器。按用途分類：電源變壓器、調(diào)壓變壓器、音頻變壓器、中頻變壓器、高頻變壓器、脈沖變壓器。第二十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三（2）電源變壓器的特性參數(shù)①工作頻率變壓器鐵芯損耗與頻率關(guān)系很大，故應(yīng)根據(jù)使用頻率來設(shè)計和使用，這種頻率稱工作頻率。②額定功率在規(guī)定的頻率和電壓下，變壓器能長期工作，而不超過規(guī)定溫升的輸出功率。③額定電壓指在變壓器的線圈上所允許施加的電壓，工作時不得大于規(guī)定值。④電壓比指變壓器初級電壓和次級電壓的比值，有空載電壓比和負(fù)載電壓比的區(qū)別。第二十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三第二十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三（3）變壓器選型①工作頻率作為電源變壓器應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)頻率選擇，通常電網(wǎng)頻率有50Hz和60Hz兩種。②額定功率通常選擇變壓器的功率應(yīng)稍大于負(fù)載的額定功率。③額定電壓作為電源變壓器應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的電壓選擇。④電壓比根據(jù)負(fù)載電壓要求選擇變壓器的變比。第二十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三問題與思考：單向橋式整流和電容濾波電路要求得到15V電壓，變壓器（220V輸入）的變比應(yīng)如何選擇？第二十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三2.整流二極管選型（1）二極管分類①根據(jù)所用的半導(dǎo)體材料，可分為鍺二極管（Ge管）和硅二極管（Si管）②根據(jù)結(jié)構(gòu)分類：點接觸型二極管、面接觸型二極管、平面型二極管等。③根據(jù)用途分類：可分為檢波二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管、發(fā)光二極管等。第二十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三（2）二極管的導(dǎo)電特性①正向特性只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值（這一數(shù)值稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V）以后，二極管才能直正導(dǎo)通。導(dǎo)通后二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V），稱為二極管的“正向壓降”。

②反向特性當(dāng)二極管兩端的反向電壓增大到某一數(shù)值，反向電流會急劇增大，二極管將失去單方向?qū)щ娞匦?，這種狀態(tài)稱為二極管的擊穿。第二十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三（3）二極管的主要參數(shù)①額定正向工作電流是指二極管長期連續(xù)工作時允許通過的最大正向電流值。因為電流通過管子時會使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過容許限度（硅管為140左右，鍺管為90左右）時，就會使管芯過熱而損壞。所以，二極管使用中不要超過二極管額定正向工作電流值。例如，常用的IN4001－4007型鍺二極管的額定正向工作電流為1A。②最高反向工作電壓加在二極管兩端的反向電壓高到一定值時，會將管子擊穿，失去單向?qū)щ娔芰Α榱吮ＷC使用安全，規(guī)定了最高反向工作電壓值。例如，IN4001二極管反向耐壓為50V，IN4007反向耐壓為1000V。第二十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三（4）整流二極管的選擇普通串聯(lián)穩(wěn)壓電源電路中使用的整流二極管，對截止頻率的反向恢復(fù)時間要求不高，只要根據(jù)電路的要求選擇最大整流電流和最大反向工作電流符合要求的整流二極管即可。第二十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三（5）關(guān)于發(fā)光二極管它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能；常簡寫為LED。發(fā)光二極管工作時正向飽和壓降1.6～2V，電流一般為5--20mA。通常與限流電阻串聯(lián)使用。第三十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三例如：

一個發(fā)光二極管用作直流24V電源的指示燈，希望發(fā)光二極管的電流為10mA（電流決定了它的亮度，電流越大，亮度越高，反之亦反然，但不能過小或過大），則與其串接的限流電阻應(yīng)這樣選擇：（24-2）V/10mA=2.2KΩ，功率為2.2K*10mA*10mA=2.2mW,取1/4W。第三十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三問題與思考：（1）上網(wǎng)查詢“常用整流二極管參數(shù)表”。（2）如果使用LED作為+12V、-12V、+5V直流電源指示燈，畫出電路圖，計算限流電阻的阻值和功率，并選擇型號。第三十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三3.濾波電容選型

（1）電容的分類（2）電容的標(biāo)識（3）電容選型參考電容額定電壓：6.3V、10V、16V、25V、32V、50V、63V、100V、160V、250V、400V、450V、500V、630V、1000V。在實際應(yīng)用中，加在電解電容兩端的電壓不能超過其允許工作電壓，在設(shè)計實際電路時應(yīng)根據(jù)具體情況留有一定的余量，在設(shè)計穩(wěn)壓電源的濾波電容時，如果交流電源電壓為220V時，變壓器次級的整流電壓達(dá)到22V，此時選擇耐壓為25V的電解電容一般可以滿足要求．但是，假如交流電源電壓波動很大且有可能上升到250V以上時，則電容可能被擊穿，此時最好選擇耐壓30V以上的電解電容。第三十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三4.三端穩(wěn)壓器件選型三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78××系列和負(fù)電壓輸出的79××系列.三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端第三十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三TO-220的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有TO-92封裝和TO-3封裝TO-220TO-92TO-3第三十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期三有時在數(shù)字78或79后面還有一個L、M或H。如78M12或79L24，用來區(qū)別輸出電流和封裝形式等。79系列除了輸出電壓為負(fù)，引出腳排列不同以外，命名方法、外形等均與78系列的相同。78、79系列三端線性穩(wěn)壓器（以78為例）按輸出電流分4個系列：78L055V