任務一-簡易直流穩(wěn)壓電源的分析與制作-圖文

任務一-簡易直流穩(wěn)壓電源的分析與制作_圖文.ppt本課程是教學改革課程整合后形成的課程，包含的內容與范圍與原來意義上的概念有所不同。包含了傳統(tǒng)的：模擬電子技術、數字電子技術、電子測量儀器及課程設計等課程內容。

總體能力要求如下：1、會識別與檢測常用的基本電子器件，測試其基本參數。2、會根據圖紙進行電路板焊接與裝配，并且具有分析排除簡單故障的能力。3、對常見的單元電子電路會分析其工作原理。4、能根據提出的要求設計簡單的單元電路，并且實際做出電路。5、能簡單設計制作實用的電子電路（如功率放大器、數字頻率計等）。

1學習目的串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源電原理圖2實訓電路舉例串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源電路板圖（頂視圖）斷開JK2可測量橋式整流后的波形串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源電路板圖（頂視圖）串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源電路實物圖實用的音響放大器電路圖實用的音響放大器電路板圖實用的音響放大器電路元件實物圖1、教材是一種主要參考資料書籍，但必須補充各種其他書籍用于課外學習。2、必須加強理論知識的學習，理論可以指導我們怎樣進行實踐活動、解決為什么要進行這些實踐活動。3、必須重視實踐學習過程，加強理論與實際的聯(lián)系。4、加強單元復習，提高自己的綜合、分析、歸納等方面的能力。5、培養(yǎng)自己獨立地進行學習能力。3學習方法指導4上課要求準時到教室上課關閉通信工具遵守課堂紀律課前預習課上記筆記按時完成作業(yè)、書寫規(guī)范、獨立完成及時與老師溝通遇到問題及時解決

簡易直流穩(wěn)壓電源的分析與制作任務一任務提出任務目標相關知識任務分析任務制作問題一：生活中常見直流電源有哪些？按穩(wěn)壓有：線性直流穩(wěn)壓電源、開關直流穩(wěn)壓電源電源組成：變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓問題二：熟知的線性直流電源有哪些組成部分？問題三：手機電池上標注有哪些參數？直流電源的主要性能指標：特性指標：輸入輸出電壓、輸入輸出電流質量指標：穩(wěn)壓系數/電壓調整率輸出電阻/電流調整率紋波電壓/紋波系數溫度系數任務提出下圖為一個簡易的直流穩(wěn)壓電源電路，試分析其工作原理并制作該電路任務目標通過對簡易直穩(wěn)壓電源電路的分析與制作，理解和掌握整流、濾波、穩(wěn)壓電路的基本工作原理，能按工藝要求獨立進行電路裝配、測試和調試，并能獨立排除裝配、調試過程中出現的簡單故障。1.1半導體的基本知識

在物理學中。根據材料的導電能力，可以將他們劃分導體、絕緣體和半導體。典型的半導體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價元素。硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。相關知識

本征半導體的共價鍵結構束縛電子在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。一.本征半導體

本征半導體——化學成分純凈的半導體晶體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。

這一現象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。當溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個空位，稱為空穴。

動畫演示

可見本征激發(fā)同時產生電子空穴對。

外加能量越高（溫度越高），產生的電子空穴對越多。與本征激發(fā)相反的現象稱為復合在一定溫度下，本征激發(fā)和復合同時進行，達到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。常溫300K時：電子空穴對的濃度硅：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對自由電子帶負電荷電子流動畫演示+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E＋－＋總電流載流子空穴帶正電荷空穴流本征半導體的導電性取決于外加能量：溫度變化，導電性變化；光照變化，導電性變化。導電機制二.雜質半導體

在本征半導體中摻入某些微量雜質元素后的半導體稱為雜質半導體。1.

N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，砷等，稱為N型半導體。

N型半導體多余電子磷原子硅原子多數載流子——自由電子少數載流子——空穴++++++++++++N型半導體施主離子自由電子電子空穴對

在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵等?？昭ㄅ鹪庸柙佣鄶递d流子——空穴少數載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導體受主離子空穴電子空穴對2.

P型半導體雜質半導體的示意圖++++++++++++N型半導體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導體多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關多子濃度——與溫度無關內電場E

因多子濃度差

形成內電場

多子的擴散

空間電荷區(qū)

阻止多子擴散，促使少子漂移。PN結合空間電荷區(qū)多子擴散電流少子漂移電流耗盡層三.PN結及其單向導電性

1.PN結的形成

動畫演示少子飄移補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴散又失去多子，耗盡層寬，E內電場E多子擴散電流少子漂移電流耗盡層動態(tài)平衡：擴散電流＝漂移電流總電流＝0勢壘UO硅0.5V鍺0.1V2.PN結的單向導電性(1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)

外電場的方向與內電場方向相反。

外電場削弱內電場→耗盡層變窄→擴散運動＞漂移運動→多子擴散形成正向電流IF正向電流

(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū)

外電場的方向與內電場方向相同。

外電場加強內電場→耗盡層變寬→漂移運動＞擴散運動→少子漂移形成反向電流IRPN

在一定的溫度下，由本征激發(fā)產生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關，所以稱為反向飽和電流。但IR與溫度有關。

PN結加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現低電阻，PN結導通；

PN結加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現高電阻，PN結截止。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。3.PN結的伏安特性曲線及表達式

根據理論推導，PN結的伏安特性曲線如圖正偏IF（多子擴散）IR（少子漂移）反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿熱擊穿——燒壞PN結電擊穿——可逆1.2半導體二極管二極管=PN結+管殼+引線NP結構符號陽極+陰極-1、基本知識(1)半導體二極管①普通二極管最常用的半導體器件，主要用于整流、檢波、限幅、開關、穩(wěn)壓等

二極管按結構分三大類：(1)點接觸型二極管

PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(3)平面型二極管

用于集成電路制造工藝中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。(2)面接觸型二極管

PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。半導體二極管的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：2AP9用數字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。導電特性伏安特性正向特性反向特性當U小于死區(qū)電壓時，二極管截止；當U大于死區(qū)電壓時二極管導通正向特性死區(qū)電壓硅管：約0.5V鍺管：約0.1V導通電壓硅管：0.6-0.8V鍺管：0.2-0.3V反向特性電流很小幾乎為0反向電壓超過UBR時，電流突然增大，UBR稱為擊穿電壓發(fā)生擊穿時，若二極管沒有限流措施，易過熱損壞。半導體二極管的導電特性為：單向導電性二極管的主要參數最大整流電流IF:指二極管長期工作時，允許通過的最大正向平均電流，其值與PN結面積及外部散熱條件等有關。若IF過大，發(fā)熱量超限度則會因結溫過高而損害二極管。(2)反向擊穿電壓UBR和最大反向工作電壓UR：UBR是管子的反向擊穿的電壓值；UR為二極管工作時允許外加的最大反向電壓，其值通常為擊穿電壓的一半。(4)最高工作頻率fM：fM是二極管工作的上限頻率。超過此值時，二極管的單向性能就會變差，甚至失去單向導電特性。(3)反向電流IR：IR是二極管未擊穿時的反向電流。IR

愈小，二極管的單向導電性愈好，IR對溫度非常敏感（T↑→IR↑）。設圖示電路中各二極管性能理想，試判斷各電路中的二極管是導通還是截止？判斷二極管在電路中的工作狀態(tài)12V3KΩ6V補充內容判斷二極管在電路中的工作狀態(tài)，常用的方法是：首先假設二極管斷開，然后求得二極管陽極與陰極之間將承受的開路電壓UU>導通電壓，二極管正向偏置，導通；U<導通電壓，二極管反向偏置，截止；在用上述方法判斷的過程中，如果電路中出現兩個以上二極管承受大小不等的正向電壓，則應判定承受正向電壓較大者優(yōu)先導通，其兩端電壓為導通電壓降，然后再用上述方法判斷其余的二極管。補充內容ABUBA=3V>0D1導通補充內容UAB=12VUCD=18V結論：D2導通，D1截止。12V3KΩ6V12V3KΩ6VABCDUCD>UABD2優(yōu)先導通12V3KΩ6VABUAB=－6V<0D1截止121.3二極管的等效模型電路1理想模型二極管的理想等效模型正偏時：uD=0,RD=0;反偏時：iD=0,RD=。相當于一理想電子開關。2恒壓降模型正偏時：uD=Uon,RD=0;反偏時：iD=0,RD=。相當于一理想電子開關和恒壓源的串聯(lián)。二極管的恒壓降等效模型1.3二極管的等效模型電路3.二極管基本電路及模型分析法ID+VD--R10K

+VDD—20VID+VD--R10K

+VDD—20VID+VD--R10K

+VDD—20V+Von—(a)原電路(b)理想模型電路(c)恒壓降模型電路圖1例1的電路圖解：（1）理想模型，VD=0，則（2）恒壓降模型VD=0.7V，則例1求圖（a）所示電路的硅二極管電流ID和電壓VD。1.3二極管的等效模型電路D+UO--+U1—6VSR+U2—解：當S斷開時，二極管加正向電壓而導通，故輸出電壓：當S閉合時，二極管加反向電壓而截止，故輸出電壓：例2：如圖所示電路：二極管導通電壓UD約為0.7V，U1=6V，U2=12V。試分別估算開關斷開和閉合時的輸出電壓數值。12V1.3二極管的等效模型電路UREF++--UiUo例3：一限幅電路如下圖所示，R=1KΩ，UREF=3V。1.當ui=0V、6V時，用兩種模型分別求出輸出uo的值。2.當ui=6sinωt（V）時，畫出輸出電壓uo的波形（理想模型）。1.3二極管的等效模型電路解：1.當ui=0V時，二極管反偏截止，uo=0V。當ui=6V時，二極管正偏導通，理想模型：uo=UREF=3V;恒壓降模型：uo=UREF+0.7=3.7VUREF++--UiUo1.3二極管的等效模型電路063Ui/Vwt03UO/Vwt2.當ui=6sinwt(V)時，只有當ui的瞬時值大于UREF=3V時，二極管導通，此時uo=UREF=3V。當ui的瞬時值小于UREF=3V時二極管截止，此時uo=ui=6sinwt(V)其輸出波形如右圖所示。UREF++--UiUo1.3二極管的等效模型電路特殊二極管除普通二極管外，還有一些二極管由于使用材料和工藝特殊，從而具有特殊的功能和用途，這種二極管屬于特殊二極管。如：穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、光電二極管等。②穩(wěn)壓二極管特殊工藝制造的半導體二極管

正常工作，流過其反向電流應在Imin-max范圍內伏安特性符號穩(wěn)壓區(qū)穩(wěn)壓二極管參數穩(wěn)定電壓UZ：穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時的穩(wěn)定電壓。穩(wěn)定電流IZ：工作電壓等于穩(wěn)定電壓時的工作電流，即管子的正常工作電流。動態(tài)電阻rZ：在穩(wěn)壓范圍內，管子兩端電壓的變化量與工作電流的變化量之比。最大耗散功率PZM：管子不致產生熱擊穿的最大功率損耗。反向擊穿時的曲線越陡則動態(tài)電阻越小，其穩(wěn)壓性能就越好。PZM=UZ*IZmaxUZ：穩(wěn)定電壓IZmax：最大穩(wěn)定電流③發(fā)光二極管把電能轉換成光能的新型固體冷光源外形符號當加正向電壓時導通，發(fā)光二極管發(fā)光，正向導通電流一般為幾個毫安至幾十毫安，正向導通壓降一般為1.5V左右，電源變壓器:將交流電網電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。整流電路:將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3。濾波電路:將脈動直流電壓u3轉變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。穩(wěn)壓電路:清除電網波動及負載變化的影響,保持輸出電壓uo的穩(wěn)定。整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路u1u2u3u4uo(2)整流電路+–u1u2TD4D2D1D3RLuou2正半周時電流通路D1、D3導通，D2、D4截止-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2負半周時電流通路D2、D4導通，D1、D3截止u2>0時D1,D3導通D2,D3截止電流通路:a

D1

RL

D3bu2<0時D2,D4導通D1,D4截止電流通路:b

D2

RL

D4a單相橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形u2D4D2D1D3RLuoab整流輸出電壓平均值：

Uo=0.9U2負載電流平均值:Io=Uo/RL=0.9U2/RL

二極管平均電流：ID=Io/2二極管最大反向電壓：DRM22UU=u2uD2,uD3uD1,uD4uo集成硅整流橋：u2uo+

–

~+~-

+–直流電壓和電流的估算平均電流(ID)與反向峰值電壓(UDRM)是選擇整流管的主要依據。oDII21=例如：在橋式整流電路中，每個二極管只有半周導通。因此，流過每只整流二極管的平均電流ID

是負載平均電流的一半。

二極管截止時兩端承受的最大反向電壓：二極管平均電流與反向峰值電壓（選購時：二極管額定電流

2ID)（選購時：最大反向電壓

2URM)(3)濾波電路交流電壓脈動直流電壓整流濾波直流電壓濾波電路的結構特點:電容與負載RL并聯(lián)，或電感與負載RL串聯(lián)。原理：利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波形的目的。RLLRLC1.電容濾波電路以單向橋式整流電容濾波為例進行分析，其電路如圖所示。(1)電容濾波原理a橋式整流電容濾波電路u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL未接入時(忽略整流電路內阻)u2tuot設t1時刻接通電源t1整流電路為電容充電充電結束沒有電容時的輸出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCucRL接入（且RLC較大）時(忽略整流電路內阻)u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot無濾波電容時的波形加入濾波電容時的波形uotu2上升，u2大于電容上的電壓uc，u2對電容充電，uo=uc

u2u2下降，u2小于電容上的電壓。二極管承受反向電壓而截止。電容C通過RL放電，uc按指數規(guī)律下降，時間常數

=RLCu2tuot只有整流電路輸出電壓大于uc時，才有充電電流。因此二極管中的電流是脈沖波。二極管中的電流u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot電容充電時，電容電壓滯后于u2。RLC越小，輸出電壓越低。u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCRL接入（且RLC較大）時(考慮整流電路內阻)一般取)105(TCRτL-3=(T:電源電壓的周期)近似估算:Uo=1.2U2Io=Uo/RL(b)流過二極管瞬時電流很大RLC越大

Uo越高

負載電流的平均值越大;

整流管導電時間越短

iD的峰值電流越大(2)電容濾波電路的特點(a)輸出電壓平均值Uo與時間常數RLC有關RLC愈大

電容器放電愈慢

Uo(平均值)愈大(c)二極管承受的最高反向電壓電容濾波外特性無電容濾波負載開路隨RL或C減小，UL下降當時，二極管的導通角減小，電流增大，應選擇大容量二極管(4)硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路是指負載不變而輸入電壓變化時，輸出電壓不變；或當輸入電壓不變而負載改變時，輸出電壓也不變的電路。UO

IOIR

URUOIZURIRRLUI不變，RL減小時，穩(wěn)壓過程：RL不變，UI增大時，穩(wěn)壓過程：UIUO

IZIR

URUO穩(wěn)壓電阻的計算如下當輸入電壓最小，負載電流最大時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小。此時IZ不應小于IZmin，由此可計算出穩(wěn)壓電阻的最大值，實際選用的穩(wěn)壓電阻應小于最大值。即當輸入電壓最大，負載電流最小時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大。此時IZ不應超過IZmax，由此可計算出穩(wěn)壓電阻的最小值。即(1)(2)穩(wěn)壓二極管在使用時一定要串入限流電阻，不能使它的功耗超過規(guī)定值，否則會造成損壞！參數的確定限流電阻選擇其中，UImax=1.1UI，UImin=0.9UI

2、知識拓展三端集成穩(wěn)壓器固定式可調式正穩(wěn)壓W78XX負穩(wěn)壓W79XX(1)7800、7900系列集成穩(wěn)壓器的型號、外形及引腳排列

電壓等級有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V七種字母LNM無字母THPIOM(A)0.10.30.51.53510W7800和W78M00系列集成穩(wěn)壓器的外形金屬菱形塑料直插W7800和W78M00系列集成穩(wěn)壓器的外形塑料截圓金屬圓殼封裝和引腳系列金屬封裝塑料封裝INGNDOUTINGNDOUTW7800W78M00W78L00132132132123123321W7900W79M00W79L00312312312213213213

常用的集成三端穩(wěn)壓器的類型類型：W7800系列——穩(wěn)定正電壓

W7805輸出+5VW7809輸出+9VW7812輸出+12VW7815輸出+15VW7900系列——穩(wěn)定負電壓

W7905輸出-5VW7909輸出-9VW7912輸出-12VW7915輸出-15V1端:輸入端2端:公共端3端:輸出端W7800系列穩(wěn)壓器外形及典型接線圖123+_W7805UI+_Uo132CI0.1~1

FCo1μF+10V+5V注意：輸入與輸出端之間的電壓不得低于3V！1端:公共端2端:輸入端3端:輸出端W7900系列穩(wěn)壓器外形及典型接線圖123–+W7905UI–+Uo231CI0.1~1

FCo1μF-10V-5V(2)基本應用電路

改善紋波電壓改善負載瞬態(tài)響應(2)基本應用電路

(3)提高輸出電壓的電路

提高公共端電位(4)輸出正、負電壓的電路

任務分析本任務中，由于最后要得到的直流電壓為+5V，而電網提供的交流電為220V，所以電源變壓器要選擇降壓變壓器，原邊電壓為交流220V，副邊電壓為交流9V。利用四個二極管1N4007的單向導電性，將正負交替的9V正弦交流電壓整流成單向的脈動電壓。1N4007整流二極管的參數為IF=1A、URM=1000V、IR≤5uA、fM=3kHz，因而可完全滿足需要。在選擇濾波電容時，一是要考慮到容量值，二是要考慮到耐壓值。濾波電容的容量越大，濾波效果越好，在使用時應綜合考慮。電容器的耐壓值應高于理論計算值(V)，且要留有一定的余量。本任務中電容器的容量選擇2200uF，耐壓選擇25V。假設電網電壓有±10%的波動，即UImax=11.88V，UImin=9.72V，而IOmax=10mA、IOmin=0mA。由于本任務要求輸出的直流電壓為5V，因此可選擇型號為2CW12的穩(wěn)壓管。2CW12穩(wěn)壓管的參數為UZ=4~5.5V、IZmin=10mA、IZmax=45mA。假設電網電壓有±10%的波動，即UImax=11.88V，UImin=9.72V，而IOmax=10mA、IOmin=0mA。任務制作1、電子元器件的檢測與篩選(1)外觀質量檢查應完整無損，各種型號、規(guī)格、標志應清晰、牢固，標志符號不能模糊不清或脫落。任務制作(2)元器件的測試①變壓器將萬用表選在R×1Ω擋，分別測量原邊線圈和副邊線圈的電阻。若阻值為無窮大，則說明線圈斷路；若阻值接近于零，則說明線圈正常；若阻值為零，則說明線圈短路。然后測量原邊線圈和副邊線圈之間電阻，應為無窮大。②二極管萬用表撥在R×100擋，分別測量二極管的正、反向電阻，測得阻值小的那次與黑表筆相接的電極為正極；反之，為負極。若二極管