03 制作晶体管直流稳压电源电子教材.docx
- 文档编号:25555706
- 上传时间:2023-06-09
- 格式:DOCX
- 页数:21
- 大小:1.46MB
03 制作晶体管直流稳压电源电子教材.docx
《03 制作晶体管直流稳压电源电子教材.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《03 制作晶体管直流稳压电源电子教材.docx(21页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
03制作晶体管直流稳压电源电子教材
项目3制作晶体管直流稳压电源
学习目标
1.知识目标
(1)掌握PN结、二极管的特性,了解二极管的结构、种类及应用场合。
(2)掌握晶体管直流稳压电源的组成,了解电路原理分析及基本计算。
2.技能目标
(1)学会判别以及使用万用表测试二极管的极性。
(2)制作晶体管直流稳压电源,掌握使用万用表和示波器测试该电源的参数,学会对电路所出现的故障进行原因分析及排故。
生活提点
生活中经常用到的各种电器,如计算机、手机、随身听、剃须刀等,包括将要制作的音频放大器,基本都是使用直流电源作为供电电源,但电网家用供电一般都是220V交流电,这就需要通过一定的装置把220V的单相交流电转换为只有几伏或几十伏的直流电,能完成这个转换的装置就是直流稳压电源。
项目任务
制作音频放大电路的直流稳压电源部分,要求该直流稳压电源输出电压为±15V,输出功率要达到10W以上。
该直流稳压电源的PCB板如图3.1所示。
图3.1晶体管直流稳压电源PCB板
项目实施
3.1二极管的认知
各种二极管实物如图3.2所示。
图3.2二极管实物
3.1.1二极管的结构、类型及图形符号
半导体二极管按其结构的不同,可分为点接触型、面接触型和平面型3种。
常见二极管的结构、外形和图形符号如图3.3所示。
二极管的两极分别称为正极或阳极,负极或阴极。
图3.3半导体二极管的结构、外形与图形符号
3.1.2判别二极管极性
二极管是有极性的,通常在二极管的外壳上标有二极管的极性符号。
标有色道(一般黑壳二极管为银白色标记,玻壳二极管为黑色银白或红色标记)的一端为负极,另一端为正极。
如图3.4所示。
图3.4二极管的极性判别
二极管的极性也可通过万用表的欧姆挡测定,将万用表打在×100或×1k挡上,由于二极管具有单向导电性,正向电阻小,反向电阻大(这在后续内容会详细分析),在测试时,若二极管正偏时,则万用表黑表笔所搭位置为二极管的正极,而红表笔所搭为二极管的负极。
测试电路如图3.5所示。
图3.5二极管的极性测试电路
二极管正、反向电阻的测量值相差越大越好,一般二极管的正向电阻测量值为几百欧,反向电阻为几十千欧到几百千欧。
如果测得正、反向电阻均为无穷大,说明内部断路;若测量值均为零,则说明内部短路;如测得正、反向电阻几乎一样大,这样的二极管已经失去作用,没有使用价值了。
3.2测试二极管的单向导电性
测试电路如图3.6所示。
图3.6测试电路
测试器件见表3-1。
表3-1二极管单向导电性测试器件清单
测试步骤如下。
(1)按图3.6的测试电路将器件装在面包板上,并正确连线。
(2)将晶体管稳压电源+5V电压输出接LED正极,负极接地,观察LED是否发光并记录。
(3)将电源+5V输出电压接LED负极,正极接地,观察LED是否发光并记录。
测试结果分析如下。
(1)第一种接法下,LED发光,用电流表测试电路中有电流,说明二极管导通。
(2)第二种接法下,LED不发光,用电流表测试出电流基本为零,说明二极管截止。
由于二极管是由半导体组成的,想一想,为何在上述不同接法下,二极管会出现这样两种不同情况?
让我们学习一下相关知识。
3.2.1半导体及基本特性
自然界中存在着许多不同的物质,根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体二大类。
通常,将很容易导电、电阻率小于10-4Ω.cm的物质称为导体,如铜、铝、银等金属材料;将很难导电、电阻率小于10-10Ω.cm的物质称为绝缘体,如塑料、橡胶、陶瓷等材料;将导电能力介丁导体和绝缘体之间、电阻率在10-3~109Ω.cm范围内的物质称为半导体。
常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge),硅和锗等半导体都是晶体,所以利用该两种材料所制成的半导体器什又称晶体管。
同时,半导体材料的导电能力会随着温度、光照等的变化而变化,分别称为热敏性和光敏性,尤其是半导体的导电能力因掺入适量杂质会发生很大的变化。
例如在半导体硅中,只要掺入亿分之一的硼,导电率会下降到原来的几万分之一,称为杂敏性,利用这一特性,可以制造成不同性能、不同用途的半导体器件。
而金属导体即使掺入千分之一的杂质,对其电阻率几乎也没有什么影响。
3.2.2本征半导体和杂质半导体
通常把纯净的不含任何杂质的半导体(硅和锗)称为本征半导体,从化学的角度来看,硅原子和锗原子的电子数分别为32和14,所以它们最外层的电子数都是4个,是四价元素。
由于导电能力的强弱,在微观上看就是单位体积中能自由移动的带电粒子数日,所以,半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。
由于半导体具有杂敏性,所以利用掺杂可以制造出不同导电能力、不同用途的半导体器件。
根据掺入杂质的不同,又可分为N型半导体和P型半导体。
1.N型半导体
在四价的本征硅(或锗)中,掺入微量的五价元素磷(P)之后,磷原子由丁数量较少,不会改变本征硅的共价键结构,而是和本征硅一起形成共价键结构,形成N型半导体。
2.P型半导体
在四价的本征硅(或锗)掺入微量的二价元素硼(B)之后,参照上述分析,硼原子也和周围相邻的硅原子组成共价键结构,形成P型半导体。
3.2.3PN结的形成与单向导电性
在一块本征半导体上通过某种掺杂工艺,使其形成N型区和P型区两部分后,在它们的交界处就形成一个特殊薄层,这就是PN结,如图3.7所示。
图3.7PN结的形成
将PN结的P区接高电位(比如电源的正极),N区接较低电位(比如电源的负极),称为给PN结加正向电压,简称正偏,如图3.8所示。
PN结正偏时,外加电场PN结中形成了以扩散电流为主的正向电流IF,且扩散电流随外加电压的增加而增加,当外加电压增加到一定值后,扩散电流随正偏电压的最大而呈指数上升。
由于PN结对外加正向偏置呈现较小的电阻(理想状态下可以看出是短路情况),因此称为正偏导通状态。
将PN结的P区接较低电位(比如电源的负极),N区接较高电位(比如电源的正极),称为给PN结加反向偏置电压,简称反偏,如图3.9所示。
图3.8PN结外加正偏电压图3.9PN结外加反偏电压
PN结反偏时,在PN结电路中形成了反向电流IR,在一般情况下该电流都非常小,近似等于零,可将此时PN结的工作状态称为反向截止。
由此可说明,PN结具有单向导电性。
二极管是由半导体材料制成的,其核心是PN结,PN结的单向导电性也是二极管的主要特征。
二极管由管芯(主要是PN结)、正极、负极(从P区和N区分别焊出两根金属引线)和封装外壳组成。
接下来学习一下二极管的特性。
3.2.4二极管的伏安特性曲线
二极管的伏安特性是指二极管通过的电流与外加偏置电压的关系,由图3.10可知该特性由3部分组成。
图3.10二极管的伏安特性
1.正向导通特性
当正向电压UF开始增加时(即正向特性的起始部分),此时UF较小,正向电流仍几乎为零,该区域称之为死区,硅管的死区电压约为0.5V,锗管约为0.1V。
只有当UF大于死区电压后,才开始产生正向电流IF。
二极管正偏导通后的管压降是一个恒定值,硅管和锗管分别取0.7V和0.3V的典型值。
2.反向截至特性
当外加反向偏压UR时,反向电流IR较小,基本可忽略不计。
室温下一般硅管的反向饱和电流小于1μA,锗管为几十到几百微安,如图3.10中所示的B段。
3.反向击穿特性
击穿特性属于反向特性的特殊部分。
当UR继续增大并超过某一特定电压值时,反向电流将急剧增大,这种现象称为击穿。
如果PN结击穿时的反向电流过大(比如没有串接限流电阻等原因),使PN结的温度超过PN结的允许结温(硅PN结约为150~200℃,锗PN结约为75~100℃)时,PN结将因过热而损坏,称为热击穿,是一种不可逆击穿。
但也有个别特殊二极管工作于反向击穿区,且形成可逆的电击穿,如稳压管。
3.2.5二极管的主要参数
为了正确选用及判断二极管的好坏,必须对其主要参数有所了解。
1.最大整流电流IF
IF指二极管在一定温度下,长期允许通过的最大正向平均电流。
超过这一电流会使二极管因过热而损坏。
另外,对于大功率二极管,必须加装散热装置。
2.反向击穿电压UBR
管子反向击穿时的电压值称为反向击穿电压UBR。
一般手册上给出的最高反向工作电压URM约为反向击穿电压的一半,以保证二极管正常工作的余量。
3.反向电流IR(反向饱和电流IS)
在室温和规定的反向工作电压下(管子未击穿时)的反向电流。
这个值越小,则管子的单向导电性就越好,同时该电流随温度的增加而按指数规律上升。
3.2.6特殊二极管
1.稳压二极管
常见稳压二极管如图3.11所示。
(a)实物图(b)图形和文字符号
图3.11常见稳压二极管
加在二极管上的反向电压如果超过二极管的承受能力,二极管就要击穿损毁。
但是有一种二极管,它的正向特性与普通二极管相同,而反向特性却比较特殊:
当反向电压加到一定程度时,虽然管子呈现击穿状态,通过较大电流,却不损毁,并且这种现象的重复性很好;反过来看,只要管子处在击穿状态,尽管流过管子的电在变化很大,而管子两端的电压却变化极小,该二极管起到了稳压作用。
这种特殊的二极管叫稳压管,其实物如图3.11所示,它的特性曲线和符号如图3.12所示,其正向特性曲线与普通二极管相似,而反向击穿特性曲线很陡。
在正常情况下稳压管工作在反向击穿区,由于曲线很陡,反向电流在很大范围内变化时,端电压变化很小,因而具有稳压作用。
图中的UZ表示反向击穿电压,当电流的增量△IZ很大时,只引起很小的电压变化,即△UZ变化很小。
图3.12稳压二极管符号及伏安特性曲线
只要反向电流不超过其最大稳定电流,就不会形成破坏性的热击穿,因此,在电路中应与稳压管串联一个具有适当阻值的限流电阻。
2.发光二极管
发光二极管的实物和图形符号如图3.13(b)和(c)所示。
它是一种将电能直接转换成光能的固体器件,简称LED(LightEmittingDiode)。
发光二极管和普通二极管相似,也由一个PN结组成,结构如图3.13(a)所示。
发光二极管在正向导通时,发出一定波长的可见光。
光的波长不同,颜色也不同。
常见的LED有红、绿、黄等颜色。
发光二极管的驱动电压低、工作电流小,具有很强的抗振动和抗冲击能力,同时由于发光二极管体积小、可靠性高、耗电省、寿命长,被广泛用于信号指示等电路中。
(a)结构组成(b)实物(c)图形符号
图3.13发光二极管
LED的反向击穿电压一般大于5V,但为使器件长时间稳定而可靠的工作,安全使用电压选择在5V以下,同时发光二极管在使用时也需要串联一个适当阻值的限流电阻。
3.光电二极管
光电二极管的结构与普通二极管的结构基本相同,实物和图形符号如图3.14所示,只是在它的PN结处,通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照,从而实现光电转换。
光电二极管的PN结可在反向偏置状态下运行,其主要特点是反向电流与光照度成正比。
图3.14光电二极管实物和图形符号
除了上述常见的特殊二极管之外,还有用于高频电路的变容二极管、激光二极管等,其中激光二极管在计算机上的光盘驱动器、激光打印机中的打印头、条形码扫描仪、激光测距、激光医疗、光通信、激光指示等小功率光电设备中得到了广泛的应用。
3.3直流稳压电源的制作
直流稳压电源能把220V的工频交流电转换为极性和数值均不随时间变化的直流电,其结构框图如图3.15所示。
图3.15直流稳压电源的组成
由图可知,直流稳压电源一般由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路4部分组成。
各部分作用如下:
电源变压器的作用是为用电设备提供合适的交流电压,如本项目中采用的变压器可实现220V输入、双18伏交流电输出,由于在电工基础中已经涉及,在这儿就不再作详细介绍;整流器的作用是把交流电变换成单相脉动的直流电;滤波器的功能是把单相脉动直流电变为平滑的直流电;稳压器的作用是克服电网电压、负载及温度变化所引起的输出电压的变化,提高输出电压的稳定性。
直流稳压电源的原理图也是由上述4部分组成,如图3.16所示。
图3.16双15V输出直流稳压电源原理图
器件清单见表3-2。
表3-2音频放大电路输入级器件清单
接下来介绍整流电路、滤波电路及稳压电路的组成及工作原理。
3.3.1整流电路
1.单相半波整流电路
图3.17(a)所示为单相半波整流电路。
由于流过负载的电流和加在负载两端的电压只有半个周期的正弦波,故称半波整流。
由图3.17(b)所示波形可知,半波整流把图像的负半周削掉了,整流后电压的有效值接近整流前的一半,效率低,故一般不采用半波整流。
2.单相桥式整流电路
图3.18(a)所示为单相桥式整流电路;图3.18(b)为等效画法,其中VD1~VD4为四个整流二极管,也常称之为整流桥;图3.18(c)为波形图。
桥式整流电路各参数计算如下。
(1)输出平均电压
。
由
波形可知,桥式整流是半波整流的2倍,即
(a)半波整流电路(b)波形图
图3.17半波整流电路及波形
(a)单相桥式整流电路(b)等效画法(c)波形图
图3.18整流电路及波形
(2)流过二极管的平均电流ID(AV)。
由于VD1、VD3和VD2、VD4轮流导通,因此流过每个二极管的平均电流只有负载电流的一半,即
(3)二极管承受的最高反向峰值电压
。
当
上正下负时,VD1、VD3导通,VD2、VD4截止,VD2、VD4相当于并联后跨接在
上,因此反向最高峰值电压为
(4)整流二极管的选择。
二极管的最大整流电流
二极管的最大反向电压,按其截止时所承受的反向峰值电压有
由图可知,在相同的交流输入和负载情况下,单相桥式整流电路输出脉动减小,直流输出电压提高1倍,电源利用率明显提高。
例3.1本项目中要求输出电流至少达到1A,即IL≥1A,并用单向桥式整流电路供电,试选择整流二极管的型号和电源变压器次级电压的有效值。
解:
由式(3.1)可确定变压器次级电压为
所以,该稳压电源需用双18V左右输出的变压器。
二极管的最大反向电压为
二极管的最大整流电流,按式(3.4)为
根据上述计算结果,该项目可选IN4007型二极管4只,其最大整流电流为1A,最高反向工作电压达到220V,完全满足设计要求。
必须注意,为了保证二极管能安全可靠地工作,选用管子时要留有电流、电压余量,并按器件手册的要求装置散热器。
在项目中,可以采用4个二极管搭接桥式整流电路,也可采用整流桥堆进行整流,下面简要介绍一下整流桥堆。
整流桥堆产品由4只整流硅芯片作桥式连接,简称桥堆,实物如图3.19所示。
桥堆一般用绝缘朔料封装而成,大功率整流桥在绝缘层外添加锌金属壳包封,以增强散热。
整流桥品种多,有扁形、圆形、方形、板凳形(分直插与贴片)等,有GPP与O/J结构之分。
最大整流电流从0.5~100A,最高反向峰值电压(即耐压值)有从25~1600V的各种规格。
图3.19桥堆实物
3.3.2滤波电路
在整流电路中,把一个大电容C并接在负载电阻两端就构成了电容滤波电路,由于电解电容的制造工艺的原因,电解电容都有一定的电感效应,越大的电解电容电感值越大,大电解是滤不掉高频的,所以可在大电容C两边并联小电容以过滤旁路高频干扰信号。
其电路和工作波形如图3.20所示。
图3.20电容滤波电路及波形
经上述分析可知,由于在二极管截止期间电容C向负载电阻缓慢放电,使得输出电压的脉动减小,结果平滑了许多。
输出电压平均值也得到了提高。
一般且当负载开路(RL=∞)时,为了取得良好的滤波效果,电容C一般取
式中,T为交流电源的周期。
且C的值越大,滤波效果越好,即滤波电容越大越好,故项目中采用了一对容量为1000μF的大电容作滤波之用。
同时需要考虑电容的耐压值,在滤波电路中,电容的耐压值不要小于滤波电容电压最高时是交流的峰峰值的1.42倍,所以这里电解电容选择了50V。
3.3.3稳压电路
1.硅稳压管稳压电路
硅稳压管稳压电路如图3.21所示。
图3.21稳压电路
硅稳压管稳压原理是利用稳压管两端电压UZ的微小变化,引起电流IZ的较大的变化,通过电阻R调整电压,保证输出电压基本恒定,从而达到稳压作用。
电路中所选用的稳压管属于分立器件,其功率选择余地大,适合于小、中、大各种功率场合的稳压,故使用范围较广。
同样,也可以采用三端稳压器来实现稳压。
2.三端集成稳压器稳压电路
三端稳压器(三端稳压管)是一种集成电路,它是通过电路的线性放大原理来实现稳压的。
三端稳压器主要有两种类型:
一种输出电压是固定的,称为固定输出三端稳压器;另一种输出电压是可调的,称为可调输出三端稳压器。
在线性集成稳压器中,由于三端稳压器只有三个引山端子,具有外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点,因而得到广泛的应用。
三端固定输出线性集成稳压器有CW78XX(正输山)和CW79XX(负输出)系列。
其型号后两位xx所标数字代表输出电压值,有5V、6V、8V、12V、I5V、18V、24V。
其额定电流以78(或79)后面的尾缀字母区分,其中L表示0.lA,M表示0.5A,无尾缀字母表示1.5A。
如CW78M05表示正输出、输出电压为5V、输出电流为0.5A。
其外形及引脚排列如图3.22所示。
图3.22三端稳压器外形及引脚排列
本项目中,由于需要直流
输出,故选用了78L15和79L15两种三端稳压器。
特别提示
在使用时必须注意
和
之间的关系。
以78L15为例;该三端稳压器的固定输出电压是15V,而输入电压至少大于17V,这样输入与输出之间有2-3V及以上的压差,使调整管保证工作在放大区。
但压差取得大时,又会增加集成块的功耗,所以,两者应兼顾,即既保证在最大负载电流时调整管不进入饱和,又不至于功耗偏大。
3.3.4实施步骤
1.安装
(1)安装前应认真理解电路原理,弄清印刷板上元件与电原理图元件的对应关系,并对所装元器件预先进行检查,确保元器件处于良好状态。
(2)参考原理图3.16将电阻、电容、发光二极管、IN4007、三端稳压器等元件在实验板上焊好。
2.调试
(1)检查印版元器件安装、焊接,确保准确无误。
(2)复审无误后通电,在电路输入端接入信号发生器,依次在整流电路、滤波电路及三端稳压器后级作如下测试。
①整流滤波后直流电压值是否正常。
②输出在空载下,分别测量滤波电容两端电压是否有超压现象。
③分别测量三端集成稳压器输入输出电压是否正常。
将上述各级下的各输出参数值及波形作记录,并与理论比较是否吻合。
(3)为提高测量精度,对输出电压可用直流数字电压表或数字式万用表测之。
重点小结
1.常用的半导体材料有硅和锗两种,纯净的半导体称为本征半导体。
2.本征半导体在掺入硼和磷元素后,导电能力将发生很大的变化,分别形成P型
半导体和N型半导体。
3.P型半导体和N型半导体结合将形成PN结,PN结具有单向导电性。
4.二极管组成核心是PN结,其具有正向导通、反向截至、反向击穿特性。
5.直流稳压电源是由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路4部分组成。
6.单相桥式整流电路中的二极管在选用时应充分考虑电压、电流的余量。
7.滤波电路中电解电容容量越大越好,同时应考虑耐压值。
8.稳压电路中稳压二极管是二极管中的一种,在反向击穿后电压变化很小,利用这个特点通过电路来实现输出电压的稳定,它属于分立器件且根据功率不同,选择范围较广;三端稳压器(三端稳压管)它是一种集成电路,它是通过电路的线性放大原理来实现稳压的,一般适用于中小功率的电路稳压。
习题
一、选择题
3.1杂质半导体中多数载流子的浓度主要取决于()。
A.温度B.掺杂工艺
C.掺杂浓度D.晶体缺陷
3.2半导体的电阻率随着温度上升而()。
A.上升B.下降C.不变
3.3本征半导体中掺入五价元素后成为()。
A.P型半导体B.N型半导体C.PN结
3.4工作在反向击穿状态的二极管是()。
A.一般二极管B.稳压二极管C.开关二极管
3.5二极管两端加上正向电压时()。
A.一定导通B.超过死区电压才导通
C.超过0.3V才导通D.超过0.7V才导通
3.6稳压二极管利用的是PN结的()。
A.单向导电性B.反向击穿性C.电容特性
二、简答题
3.7在温度升高时,本征半导体的导电能力为什么会增强?
3.8空穴导电与自由电子导电有什么区别?
3.9P型半导体与N型半导体有什么区别?
3.10PN结有什么特性?
该特征在什么情况下才能体现出来?
3.11如何用万用表的电阻挡判别二极管的极性?
3.12稳压管与普通整流二极管有何区别?
3.13在3.3直流稳压电源的制作中,C1和C2的作用是什么?
若将其容量减小,会其输出造成何影响?
试分析原因。
三、分析计算题
3.14在3.3直流稳压电源的制作中,试根据电路估算该直流稳压电源的最大输出功率是多少?
3.15硅二极管电路如图3.23所示,试分别用二极管的理想模型和恒压降模型计算电路中的电流I和输出电压UAO。
(1)E=3V;
(2)E=10V。
图3.23硅二极管电路
3.16二极管电路如图3.24所示,试判断各二极管是导通还是截止,并求出A、O端的电压UAO(设二极管为理想二极管)。
3.17图3.25所示的电路中,
,VD为理想二极管,试画出各电路输出电压
的波形。
图3.24二极管电路
图3.25题3.17图
3.18画出图3.26所示电路中的输出电压
的波形,
(设二极管为理想二极管)。
图3.26题3.18图
3.19设硅稳压二极管VDZ1和VDZ2的稳定电压分别为5V和10V,求图3.27所示各电路的输出电压
的值。
3.20某发光二极管的导通电压为1.5V,最大整流电流为30mA,要求用4.5V直流供电,电路的限流电阻应如何选取?
3.21一单相桥式整流电路,变压器次级电压有效值为75V,负载电阻为100Ω,试计算该电路的直流输出电压和直流输出电流,并选择二极管。
图3.27题3.19图
3.22在线路板上,分别由4只二极管组成桥式整流电路,元件排列如图3.28所示。
如何在(a)、(b)两图的端点上接入交流负载和负载电阻RL?
要求画出最简接线图。
图3.28桥式整流电路
3.23桥式整流电容滤波电路中,已知RL=100Ω,C=100pF,用交流电压表测得变压器次级电压有效值为20V,用直流电压表测得RL两端电压Uo。
如出现下列情况,试分析哪些是合理的,哪些表明出了故障,并分析原因:
①Uo=28V;②Uo=24V;③Uo=18V;④Uo=9V。
3.24图3.29所示为一桥式整流电容滤波电路,已知交流电压u1等于220V,负载电阻RL=50Ω,要求直流输出电压为24V,根据要求,试:
(1)选择整流二极管型号。
(2)选择滤波电容(容量和耐压)。
图3.29桥式整流电容滤波
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 03 制作晶体管直流稳压电源电子教材 制作 晶体管 直流 稳压电源 电子 教材