直流稳压电源的制作

图1-1　MF47型万用表表盘

第一条刻度：电阻值刻度（读数时从右向左读）。

第二条刻度：交、直流电压电流值刻度（读数时从左向右读）。

第三条刻度：测量晶体管放大倍数。

第四条刻度：测量电容。

第五条刻度：测量电感。

第六条刻度：测量音频。

除交／直流2500V和5A分别有单独插座外，其余各挡只需转动一个开关，使用方便。

注意：在使用万用表时，只有掌握正确的方法，才能保证测试结果的准确性，才能保证人身与设备的安全。

2．操作中的注意事项

（1）万用表在使用过程中的注意事项

①万用表水平放置。

②进行测量前，先检查红、黑表笔连接的位置是否正确。红色表笔接到红色接线柱或标有“＋”号的插孔内，黑色表笔接到黑色接线柱或标有“－”号的插孔内，不能接反，否则在测量直流电量时会因正负极的反接而使指针反转，损坏表头部件。

③在表笔连接被测电路之前，一定要查看所选挡位与测量对象是否相符。否则，误用挡位和量程，不仅得不到测量结果，而且还会损坏万用表。在此提醒初学者，万用表的损坏往往就是上述原因造成的。

④测量时，需用右手握住两支表笔，手指不要触及表笔的金属部分和被测元器件。

⑤测量中若需转换量程，必须在表笔离开电路后才能进行，否则选择开关转动产生的电弧易烧坏选择开关的触点，造成接触不良的事故。

⑥在实际测量中，经常要测量多种电量，每一次测量前要注意根据每次测量任务，把选择开关转换到相应的挡位和量程，这是初学者最容易忽略的环节。

（2）万用表使用后的注意事项

①拔出表笔。

②将选择开关旋至“OFF”挡，若无此挡，应旋至交流电压最大量程挡，如“1000V”。

③若长期不用，应将表内电池取出，以防电池电解液渗漏而腐蚀内部电路。

3．使用方法

（1）测量电阻的使用方法

①使用前的准备。

a．上好电池（注意电池正负极）。

b．插好表笔，“－”黑；“＋”红。

c．机械调零。万用表在测量前，应注意水平放置时，表头指针是否处于交直流挡标尺的零刻度线上，否则读数会有较大的误差。若不在零位，应通过机械调零的方法（即使用无感螺丝刀调整表头下方机械调零旋钮）使指针回到零位。

d．欧姆调零：量程选准以后在正式测量之前必须调零，否则测量值有误差。欧姆调零的方法为：将红、黑两笔短接，看指针是否指在零刻度位置，如果没有，调节欧姆调零旋钮，使其指在零刻度位置，如图1-2所示。

注意：如果重新换挡以后，在正式测量之前也必须调零一次。

图1-2　欧姆调零

e．选择正确的功能挡位和量程。

先粗略估计所测电阻阻值，再选择合适量程，如果被测电阻不能估计其值，一般情况将开关拨在R×100Ω或R×1kΩ的位置进行初测，然后看指针是否停在中线附近，如果是，说明挡位合适。（如果指针太靠零，则要减小挡位；如果指针太靠近无穷大，则要增大挡位）

②连接电阻测量。

万用表两表笔并接在所测电阻两端进行测量。

注意：

a．不能带电测量。

b．被测电阻不能有并联支路。

正确的测量方法如图1-3所示。

图1-3　正确的测量方法

不正确的测量方法如图1-4所示，因为造成了人体电阻与被测电阻并联。

图1-4　不正确的测量方法

c．读数，如图1-5所示。

阻值＝刻度值×倍率

阻值＝18×10kΩ＝180kΩ

图1-5　读数

d．挡位复位。

将挡位开关拨在OFF位置或拨在交流电压1000V挡测量交流电压挡。

（2）测量交流电压的方法

①使用前的准备。

a．上好电池，注意电池正负极。

b．插好表笔，“－”黑；“＋”红。

c．机械调零。

d．量程的选择。

将选择开关旋至交流电压挡相应的量程进行测量。如果不知道被测电压的大致数值，需将选择开关旋至交流电压挡最高量程上预测，然后再旋至交流电压挡相应的量程上进行测量。

②开始测量。

将两表笔并接在被测电压两端进行测量（交流电不分正负极），如图1-6所示。

图1-6　测量交流电压

③读数。

读数时选择第二条刻度。第二条刻度有三组数字，到底读哪一组数字呢？要根据所选择的量程来选择刻度读数。

④挡位复位。

将挡位开关拨在OFF位置或拨在交流电压1000V挡。

（3）测量直流电压的方法

①使用前的准备。

a．上好电池，注意电池正负极。

b．插好表笔，“－”黑；“＋”红。

c．机械调零。

d．量程的选择。

将选择开关旋至直流电压挡相应的量程进行测量。如果不知道被测电压的大致数值，需将选择开关旋至直流电压挡最高量程上预测，然后再旋至直流电压挡相应的量程上进行测量。

②开始测量。

将两表笔并接在被测电压两端进行测量（直流电要分正负极），如图1-7所示。

图1-7　测量直流电压

③读数。

a．读数时选择第二条刻度。

b．第二条刻度有三组数字。

c．要根据所选择的量程来选择刻度读数。

d．读数方法同交流电压读数方法一致。

注意：直流电压分正、负，表笔一定不要接反或超过量程，否则将烧坏万用表。

（4）测量电流的方法

①使用前的准备。

a．上好电池，注意电池的正负极。

b．插好表笔，“－”黑；“＋”红。

c．机械调零。

d．量程的选择。

将选择开关旋至电流挡相应的量程进行测量。如果不知道被测电流的大致数值，需将选择开关旋至电流挡最高量程上预测，然后再旋至电流挡相应的量程上进行测量。

②开始测量。

将两表笔串接在被测电路两端进行测量（电流要分高、低电位），如图1-8所示。

图1-8　测量电流

③读数。

a．读数时选择第二条刻度。

b．读第二排刻度读数。

二、二极管

1．二极管的形成

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。

无杂质的纯净单晶半导体被称为本征半导体；掺入杂质的本征半导体被称为杂质半导体。

根据掺入杂质的不同，可分为两种：电子型半导体和空穴型半导体。如图1-9所示，在本征半导体中掺入正五价元素（如磷、砷）可以形成N型半导体，掺入正三价杂质元素（如硼、镓）时可以形成P型半导体。

图1-9　两种杂质半导体

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，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，并且当电子和空穴相遇时，将发生复合而消失。这样在交界面两侧就形成了PN结，如图1-10所示。

图1-10　PN结的形成

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，称为PN结外加正向电压或PN结正向偏置（简称正偏）。

（2）在外加反向电压时PN结处于截止状态

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。

2．二极管的结构及符号

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称为正极（或阳极）；由N型半导体引出的电极称为负极（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

二极管常见的封装形式如图1-12所示。

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。

部分二极管实物如图1-13所示。

图1-13　半导体二极管示例

3．二极管的伏安特性

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。常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。

注意：伏安特性是指二极管两端电压和流过二极管电流的关系。

（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，如图1-14所示中相应的A（A忆）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。死区电压又称为阀值电压。

（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1-14中OC（或O′C′）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10℃，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1-14中CD（或C′D′）段所示。

图1-14　二极管的伏安特性曲线

4．二极管的识别与检测

（1）二极管的分类

按功能划分，二极管主要有普通整流二极管、稳压二极管、发光二极管、光电二极管等；按封装划分，二极管主要有塑封二极管、金属封装二极管、玻璃封装二极管；按材料划分，二极管主要分为硅二极管和锗二极管。

（2）二极管的识别

一般可以通过外观识别出二极管的正反极性。

①直标法。

在二极管的外壳上直接印有二极管的电路符号，根据电路符号就可判断出二极管的极性。

②色环标注法。

有的二极管在负极有一条银色标志，那么该色环表示负极。

③色点标注法。

有的二极管外壳的一端标注出一个色点，有色点的一端表示二极管的正极，另一端为负极。

④外形识别法。

锥形二极管锥端为负极，大功率二极管有螺纹一端为负极；发光二极管长引脚为正极，短引脚为负极，其管体内电极较宽大的一个为负极，较窄小的一个为正极。

（3）二极管的检测

二极管的检测主要是判断其正负极和质量的好坏。

①二极管的正负极的判别。

当二极管的外观标记不清楚时，可用万用表的电阻挡进行判别。主要是利用二极管的单向导电性，其反向电阻远大于正向电阻，测量方法如下：

a．将万用表量程调至R×100Ω或R×1kΩ挡（一般不用R×1Ω挡，因其电流较大，而R×10kΩ挡电压过高管子易击穿）。

b．将两表笔分别接触二极管两个电极，测得一个电阻值，交换一次电极再测一次，从而得到两个电阻值。

一般来说二极管正向电阻小于5kΩ，反向电阻大于500kΩ，如图1-15所示。故测得正向电阻值时，与黑表笔相连的是二极管的正极。用数字式万用表去测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。

图1-15　二极管的极性判断

②二极管的材料及质量判别。

二极管的材料及质量好坏也可以从其正、反向阻值中判断出来。一般硅材料二极管的正向电阻为几千欧，而锗材料二极管的正向阻值为几百欧。性能好的二极管，一般反向电阻比正向电阻大几百倍。如果两次测得的正、反向电阻很小或等于零，则说明管子内部已击穿或短路；如果正、反向电阻均很大或接近无穷大，说明管子内部已开路；如果电阻值相差不大，说明管子性能变差，上述3种情况的二极管均不能使用。判断二极管的好坏，关键是看它有无单向导电性能，正向电阻越小、反向电阻越大的二极管的质量越好。

任务二　整流滤波电路的测试

【任务目标】

①进一步理解整流滤波电路的工作原理。

②学会使用万用表测量工作电压。

③学会使用示波器观测电压的波形。

【设备与器材】

测试整流滤波电路的设备与器材见表1-4。

表1-4　设备与器材

【任务实施】

①按如图1-16所示原理图连接电路，将电源箱中峰值为12V的交流电接入电路的输入端。

图1-16　电路原理图

②使用示波器观察变压器次级电压波形和负载电阻上的电压波形，绘制于表1-5中。

表1-5　电压波形

③使用万用表分别测量u1，u2和u0，并填入表1-6中。

表1-6　电压值

④更换电容器为200μF，使用万用表分别测量u1，u2和u0，并填入表1-7中。

表1-7　电压值

【实训总结】

①整理测量数据，填写上述列表，通过实验数据分析整流滤波电路的工作原理。

②简述示波器观察电压波形的使用步骤及方法。

③填写任务评价表，见表1-8。

表1-8　任务评价表

【知识拓展】

分别断开二极管，观测半波整流、全波整流的输出波形和电压大小。

【相关知识】

单相整流滤波电路的分析与应用

一、半波整流电路

基本的单相半波整流电路如图1-17（a）所示，电路中只使用1只二极管。

图1-17　半波整流电路及波形图

单相半波整流电路的工作原理是：交流电压u2作用在二极管VD与负载RL串联的电路上，在交流电压u2的正半周，二极管VD上的电压正向偏置，二极管导电。如果忽略二极管正向电压，则负载RL上的电压Uo与交流电压u2的正半波相等，即正半周的电压全部作用在负载上；当交流电压u2变成负半周时，二极管工作在反向电压下，二极管不导电，电路中没有电流，负载RL上没有电压，交流电压u2的负半周全部作用在二极管上。整流波形如图1-16（b）所示。

单相半波整流电路的整流输出电压Uo的平均值为

Uo＝0．45u2

则输出电流为

单相半波整流电路中作用在二极管上的最大反向电压等于被整流的交流电压的最大值，即

二、单相桥式整流电路

桥式整流电路如图1-18所示，这里的图（a），（b），（c）是它常见的3种画法。

图1-18　常见的3种桥式整流电路画法

4只整流二极管VD1—VD4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。

在电源电压u2的正、负半周（设a端为正，b端为负时是正半周）内电流通路分别用如图1-19所示的实线和虚线箭头表示。

在u2的正半周，即a点为正，b点为负时，VD1，VD3承受正向电压而导通，此时有电流流过RL，电流路径为a→VD1→RL→VD3→b，此时VD2，VD4因反偏而截止，负载RL上得到一个半波电压，电压、电流波形如图1-20（b），（c）中的0～π段所示。若略去二极管的正向压降，则Uo≈u2。

图1-19　桥式整流电路

图1-20　单向桥式整流电路波形图

在u2的负半周，即a点为负，b点为正时，VD1，VD3因反偏而截止，VD2，VD4正偏而导通，此时有电流流过RL，电流路径为b→VD2→RL→VD4→a。这时RL上得到一个与0～π段相同的半波电压，电压、电流波形如图1-20（b），（c）中的π～2π段所示，若略去二极管的正向压降，Uo≈－u2。负载上的电压Uo的波形如图1-20（b）所示。电流的波形与Uo的波形相同。显然，它们都是单方向的全波脉动波形。

单相桥式整流电压的平均值为

Uo＝0．9u2

直流电流为

二极管VD1，VD3和VD2，VD4是两两轮流导通的，因此流经每个二极管的平均电流为

二极管所承受到的最大反向电压仍为u2的最大值，即

三、滤波电路

整流电路虽将交流电变为直流，但输出的却是脉动电压，这种大小变动的脉动电压，除了含有直流分量外，还含有不同频率的交流分量，这就远不能满足大多数电子设备对电源的要求。为了改善整流电压的脉动程度，提高其平滑性，在整流电路中都要加滤波电路。

滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。

电容器C对直流开路，对交流阻抗小，因此C应该并联在负载两端。

电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。

1．电容滤波电路

电容滤波电路是最简单的滤波器，它是在整流电路的输出端与负载并联一个电容C而组成，如图1-21（a）所示。

图1-21　半波整流电容滤波及其波形

由波形可见，半波整流接电容滤波后，输出电压的脉动程度大为减小，直流分量明显提高。

2．电感滤波电路

电感滤波电路是在桥式整流电路和负载电阻RL间串入一个电感器L，如图1-22所示。

图1-22　桥式整流滤波电

电感滤波的特点是峰值电流很小，输出特性比较平坦。其缺点是由于铁芯的存在，笨重、体积大，易引起电磁干扰。一般只适用于大电流场合。

3．复式滤波器

在滤波电容C之前串入一个电感L就构成了LC滤波电路，如图1-23所示。

图1-23　复式滤波电路

任务三　直流稳压电源的制作

【任务目标】

①进一步理解稳压电源的工作原理。

②进一步学习万用表的使用方法。

②学习稳压电源技术指标的测量方法。

【设备与器材】

制作直流稳压电源的设备与器材见表1-9。

表1-9　设备与器材

【任务实施】

①按照如图1-24所示电路图连接电路。

②检查无误后接通电源。

图1-24　电路原理图

③当u2为12V时，调整可调电阻，测出输出电压Uo，完成表1-10。

表1-10　输出电压

④当u2为12V时，改变R1，R2的阻值，使Io分别为1mA，2mA，5mA，测出Uo的数值，记入表1-11中。

表1-11　输出电压

⑤当u2为12V时，改变R1，R2的阻值，使Uo分别为3V，5V，10V，测出Io的数值，记入表1-12中。

表1-12　电流值

【实训总结】

①整理实验数据，将测量数据填入上述表中，总结稳压电源的工作原理。

②通过测量输出电压的输出范围，分析测量结果，总结可调三端稳压电源的工作原理。

③填写任务评价表，见表1-13。

表1-13　任务评价表

【相关知识】

三端式集成稳压器

三端式集成稳压器都有3个管脚，分别是输入端、输出端和公共端，因此称为三端式稳压器。按输出方式可分为三端固定输出集成稳压器和三端可调输出集成稳压器两种。

一、三端固定输出集成稳压器

1．固定输出的三端集成稳压器外形及电路符号

固定输出的三端集成稳压器外形、封装、管脚排列及符号如图1-25所示。

2．三端固定输出稳压器的特点

①W7800系列是三端固定正压输出的集成稳压器。输出电压有5V，6V，9V，12V，15V，18V，24V等挡。

②W7900系列是三端固定负压输出的集成稳压器。在输出电压挡、电流挡等方面与78系列相同。

图1-25　三端式集成稳压器的管脚排列、符号

二、可调输出的三端集成稳压器

1．可调输出的三端集成稳压器外形及电路符号

可调输出的三端集成稳压器外形、封装与管脚排列及符号，如图1-26所示。

图1-26　可调输出的三端集成稳压器外形及图形符号

2．三端可调输出稳压器的特点

三端可调稳压器的内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠、性能优良、不易损坏、使用方便、输出电压可调、稳压精度高、输出纹波小、稳压等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。其一般输出电压为1．25～37V或－37～－1．25V连续可调。

3．三端可调输出稳压器的技术指标

稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数等。

三、典型三端稳压电源电路

典型三端稳压电源电路如图1-26所示。若在此电路的基础上，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1-27所示。该电源输出电压调节范围为±1．25V～±20V，输出电流为1A。

图1-27　可调输出集成稳压电路

图1-28　正负对称输出的可调稳压电路