電工電子技術(shù)項目化教程項目六

直流穩(wěn)壓電源的制作項目六

直流穩(wěn)壓電源的制作項目評價項目總結(jié)虛擬仿真項目實施項目引入知識鏈接1245637項目目標與重難點8項目拓展虛擬仿真知識鏈接項目目標與重難點項目引入030602直流穩(wěn)壓電源的制作0407項目評價08項目總結(jié)項目拓展0105項目實踐直流穩(wěn)壓電源（也稱為直流穩(wěn)壓器）是一種常用的電子儀器，其功能是將交流電轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需要的直流電，為各種電子電路提供直流電源。直流穩(wěn)壓電源在各種科研裝置和電子電氣裝置中都是必不可少的供電設(shè)備之一。小功率直流穩(wěn)壓電源一般由變壓器及整流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成，虛擬仿真知識鏈接項目目標與重難點項目引入030602直流穩(wěn)壓電源的制作0407項目評價08項目總結(jié)項目拓展0105項目實踐（1）了解半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理；（2）掌握二極管的結(jié)構(gòu)、類型、特點和主要參數(shù)；（3）掌握二極管的伏安特性；（4）掌握整流電路的類型、特點和工作原理；（5）掌握濾波電路的類型、特點和工作原理；（6）掌握穩(wěn)壓電路的類型、特點和工作原理。知識目標（1）會使用萬用表、示波器、信號發(fā)生器、交流毫伏表和面包板等常用電子設(shè)備與儀器；（1）能識別和鑒定各類常見的二極管；（1）會對整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路進行組裝和測試。技能目標（1）提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力；（2）培養(yǎng)學(xué)生的使命意識。素質(zhì)目標虛擬仿真知識鏈接項目目標與重難點項目引入030602直流穩(wěn)壓電源的制作0407項目評價08項目總結(jié)項目拓展0105項目實踐知識鏈接1半導(dǎo)體基本知識2半導(dǎo)體二極管3單相半波整流電路4單相全波整流電路5電容濾波電路項目六直流穩(wěn)壓電源的制作

6電感濾波電路7復(fù)式濾波電路8并聯(lián)型穩(wěn)壓電路1.半導(dǎo)體基本知識1.1.1半導(dǎo)體基本知識導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體物質(zhì)按其導(dǎo)電能力的強弱，可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。1.導(dǎo)體：導(dǎo)電能力很強的物質(zhì)。如低價元素銅、鐵、鋁等。2.絕緣體：導(dǎo)電能力很弱，基本上不導(dǎo)電的物質(zhì)。如高價惰性氣體和橡膠、陶瓷、塑料等高分子材料等。3.半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。如硅、鍺等四價元素。1.半導(dǎo)體基本知識

半導(dǎo)體的最外層電子數(shù)一般為4個，在常溫下存在的自由電子數(shù)介于導(dǎo)體和絕緣體之間，因而在常溫下半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力也是介于導(dǎo)體和絕緣體之間。常用的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、硒等。

++Si(硅原子)Ge(鍺原子)1.半導(dǎo)體基本知識

最常用的半導(dǎo)體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價元素，即每個原子最外層電子數(shù)為4個。硅原子和鍺原子的簡化模型圖Si+4Ge+4因為原子呈電中性，所以簡化模型圖中的原子核只用帶圈的+4符號表示即可。1.半導(dǎo)體基本知識

本征半導(dǎo)體原子核最外層的價電子都是4個，稱為四價元素，它們排列成非常整齊的晶格結(jié)構(gòu)。每一個原子均與相鄰的四個原子結(jié)合，即與相鄰四個原子的價電子兩兩組成電子對，構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4實際上半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)是三維的。晶格結(jié)構(gòu)共價鍵結(jié)構(gòu)1-1本征半導(dǎo)體

純凈的不含任何雜質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)排列整齊的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。1.半導(dǎo)體基本知識＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4從共價鍵晶格結(jié)構(gòu)來看，每個原子外層都具有8個價電子。但價電子是相鄰原子共用，所以穩(wěn)定性并不能象絕緣體那樣好。在游離走的價電子原位上留下一個不能移動的空位，叫空穴。

受光照或溫度上升影響，共價鍵中價電子的熱運動加劇，一些價電子會掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子。

由于熱激發(fā)而在晶體中出現(xiàn)電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。

本征激發(fā)的結(jié)果，造成了半導(dǎo)體內(nèi)部自由電子載流子運動的產(chǎn)生，由此本征半導(dǎo)體的電中性被破壞，使失掉電子的原子變成帶正電荷的離子。

由于共價鍵是定域的，這些帶正電的離子不會移動，即不能參與導(dǎo)電，成為晶體中固定不動的帶正電離子。＋＋1.半導(dǎo)體基本知識＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4受光照或溫度上升影響，共價鍵中其它一些價電子直接跳進空穴，使失電子的原子重新恢復(fù)電中性。

價電子填補空穴的現(xiàn)象稱為復(fù)合。

參與復(fù)合的價電子又會留下一個新的空位，而這個新的空穴仍會被鄰近共價鍵中跳出來的價電子填補上，這種價電子填補空穴的復(fù)合運動使本征半導(dǎo)體中又形成一種不同于本征激發(fā)下的電荷遷移，為區(qū)別于本征激發(fā)下自由電子載流子的運動，我們把價電子填補空穴的復(fù)合運動稱為空穴載流子運動。

半導(dǎo)體與金屬導(dǎo)體導(dǎo)電機理本質(zhì)上的區(qū)別：金屬導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子參與導(dǎo)電；而半導(dǎo)體中則是由本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和復(fù)合運動產(chǎn)生的空穴兩種載流子同時參與導(dǎo)電。兩種載流子電量相等、符號相反，電流的方向為空穴運動的方向即自由電子運動的反方向。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4

半導(dǎo)體內(nèi)部，自由電子和空穴的運動總是共存的，且在一定溫度下達到動態(tài)平衡。半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理1.半導(dǎo)體基本知識半導(dǎo)體具有光敏性、熱敏性和摻雜性的獨特性能，因此在電子技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。光敏性——半導(dǎo)體受光照后，其導(dǎo)電能力大大增強；熱敏性——受溫度的影響，半導(dǎo)體導(dǎo)電能力變化很大；摻雜性——在半導(dǎo)體中摻入少量特殊雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力極大地增強；半導(dǎo)體材料的獨特性能是由其內(nèi)部的導(dǎo)電機理所決定的。半導(dǎo)體的特性

1.半導(dǎo)體基本知識摻入磷雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，自由電子的數(shù)量大大增加。因此自由電子是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。

在本征半導(dǎo)體摻入某種元素的微量雜質(zhì)，將使摻雜后的雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能大大增強。+五價元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P

在室溫情況下，本征硅中的磷雜質(zhì)等于10-6數(shù)量級時，電子載流子的數(shù)目將增加幾十萬倍。摻入五價元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體由于自由電子多而稱為電子型半導(dǎo)體，也叫做N型半導(dǎo)體。2-2雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.半導(dǎo)體基本知識摻入硼雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，空穴載流子的數(shù)量大大增加。因此空穴是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三價元素硼(B)B+

摻入三價元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，由于空穴載流子的數(shù)量大大于自由電子載流子的數(shù)量而稱為空穴型半導(dǎo)體，也叫做P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是自由電子，而不能移動的離子帶負電。－1.半導(dǎo)體基本知識

不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，其中的多子和少子的移動都能形成電流。但是，由于多子的數(shù)量遠大于少子的數(shù)量，因此雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能主要取決于多子濃度。多子濃度主要取決于摻雜濃度。注意：摻入雜質(zhì)后雖然形成了N型或P型半導(dǎo)體，但整個半導(dǎo)體晶體仍然呈電中性。1.半導(dǎo)體基本知識1-3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)形成的過程中，多數(shù)載流子的擴散和少數(shù)載流子的漂移共存。開始時多子的擴散運動占優(yōu)勢，擴散運動的結(jié)果使PN結(jié)加寬，內(nèi)電場增強；另一方面，內(nèi)電場又促使了少子的漂移運動：削弱了內(nèi)電場，使PN結(jié)變窄。最后，擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定，即PN結(jié)形成。1.半導(dǎo)體基本知識P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)變窄i外電場方向內(nèi)電場方向PN結(jié)的正向偏置1.半導(dǎo)體基本知識P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)變寬外電場方向內(nèi)電場方向PN結(jié)的反向偏置2.半導(dǎo)體二極管箭頭指向為二極管正向?qū)娏鞣较?，使用二極管時，必須注意極性不能接反，否則電路非但不能正常工作，還有毀壞管子和其他元件的可能。2-1二極管結(jié)構(gòu)和類型

2.半導(dǎo)體二極管二極管的類型點接觸型：結(jié)面積小，適用于高頻檢波、脈沖電路及計算機中的開關(guān)元件。外殼觸絲N型鍺片正極引線負極引線N型鍺面接觸型：結(jié)面積大，適用于低頻整流器件。負極引線底座金銻合金PN結(jié)鋁合金小球正極引線2.半導(dǎo)體二極管負極引線P型硅二氧化硅層PN結(jié)正極引線平面型：PN結(jié)面積可大可小，用在高頻整流和開關(guān)電路中二極管的類型2.半導(dǎo)體二極管2-2二極管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020

二極管的伏安特性是指流過二極管的電流與兩端所加電壓的函數(shù)關(guān)系。

二極管的伏安特性呈非線性，特性曲線上大致可分為四個區(qū)：2.外加正向電壓超過死區(qū)電壓(硅管0.5V，鍺管0.1V)時，內(nèi)電場大大削弱，正向電流迅速增長，二極管進入正向?qū)▍^(qū)。硅二極管的正向?qū)妷杭s為0.7V，鍺二極管的正向?qū)妷杭s為0.3V。死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)1.當外加正向電壓很低時，由于外電場還不能克服PN結(jié)內(nèi)電場對多數(shù)載流子擴散運動的阻力，故正向電流很小，幾乎為零。這一區(qū)域稱之為死區(qū)。4.外加反向電壓超過反向擊穿電壓UBR時，反向電流突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦?，進入反向擊穿區(qū)。反向擊穿區(qū)3.反向截止區(qū)內(nèi)反向飽和電流很小，可近似視為零值。2.半導(dǎo)體二極管2-3二極管的主要參數(shù)1）最大整流電流IFM：指二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。其大小由PN結(jié)的結(jié)面積和外界散熱條件決定。2）最高反向工作電壓URM：指二極管長期安全運行時所能承受的最大反向電壓值。一般取擊穿電壓的一半作為最高反向工作電壓值。3）反向電流IR：指二極管未擊穿時的反向電流。IR值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。反向電流隨溫度芙蓉變化而變化較大。4）最大工作頻率fM：此值由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定。若二極管的工作頻率超過該值，則二極管的單向?qū)щ娦阅軐⒆兊幂^差。3.單相半波整流電路3-1工作原理將交流電變換成脈動的直流電

u2正半周，二極管VD導(dǎo)通，忽略管壓降時，輸出電壓UO等于u2。VDIOTRLUOu2u1u2ωt0uoωt0u2

u2負半周，二極管VD反偏截止，UO等于0。電路實現(xiàn)了半波整流。整流原理3.單相半波整流電路流過整流二極管的平均電流：二極管承受的反向峰值電壓為：常用于整流電流較小、對脈動要求不高的電子儀器和家用電器中。電路特點：結(jié)構(gòu)簡單，輸出電流適中；輸出電壓脈動較大，整流效率低。輸出電壓平均值：負載上直流電壓和電流的計算3-2基本參數(shù)3.單相半波整流電路4.單向全波整流電路4-1工作原理單相橋式整流電路VD1-VD4為整流元件,組成橋式結(jié)構(gòu)電源變壓器負載TrRLuou1VD4VD2VD1VD3u2ABCD4.單向全波整流電路+?u1u2TVD4VD2VD1VD3RLuo1.正半周時電流通路承受反壓截止VD1和VD3導(dǎo)通，VD2和VD4截止。u2uo整流原理4.單向全波整流電路?+u1u2TVD4VD2VD1VD3RLuo承受反壓截止u2uL2.負半周時電流通路VD1和VD3截止，VD2和VD4導(dǎo)通。整流原理u2>0時VD1,VD3導(dǎo)通VD2,VD4截止電流通路:A

VD1

RLVD3Bu2<0時VD2,VD4導(dǎo)通VD1,VD3截止電流通路:B

VD2

RLVD4A輸出是脈動的直流電壓！vD4,vD2vD3,vD1u2VD4VD2VD1VD3RLABuo4.單向全波整流電路流過整流二極管的平均電流：二極管承受的反向峰值電壓為：廣泛應(yīng)用于機床控制電路、自動控制電路和各種家用電器中。輸出電壓較高；脈動成分減小，電路的整流效率提高。輸出電壓平均值：電路特點：負載電壓與電流的關(guān)系4-2基本參數(shù)4.單向全波整流電路有一單相半波整流電路，已知負載電阻

，變壓器副邊電壓

，試求:。解因此二極管可選用2AP4型，為了安全，二極管的反向工作峰值電壓要比28.3v大一倍左右。例5.電容濾波電路單相半波整流電容濾波電路將濾波電容與整流電路的負載并聯(lián)，它是根據(jù)電容兩端電壓在電路狀態(tài)改變時不能突變的原理制成的。5-1半波整流電容濾波電路結(jié)構(gòu)特點：5.電容濾波電路++--uLωtu2ωtuc=U2當u2為上升正電壓時，二極管VD受正向電壓作用而導(dǎo)通，此時，u2通過二極管VD向負載RL供電，同時又向電容器充電，由于二極管VD的正向電阻很小，故充電很快。當u2達最大值時，電容器C兩端電壓隨之達到最大值。u2由最大值開始減小時，二極管VD因受反向電壓而截止，電容器C向負載放電，輸出逐漸下降。直到一周期后u2又上升為一定值，二極管VD因獲得正向電壓而導(dǎo)通，電容器又被充電，使輸出重新上升5.電容濾波電路波形更平滑負載電阻越小，電容放電越快，輸出電壓脈動大。負載電阻越大，電容放電越慢，輸出直流電壓越平滑。5.電容濾波電路較大電解電容與負載RL相并聯(lián)。輸出電壓的平均值UO(AV)≈1.2U2。5-2橋式整流電容濾波電路結(jié)構(gòu)特點：工作原理

u2上升且大于電容的極間電壓uc時，u2對電容C進行充電，uo=uc

u2

u2下降且小于電容電壓時，二極管承受反向電壓而截止。電容C通過RL放電，uc按指數(shù)規(guī)律下降。

為使濾波效果良好，一般取電路中的時間常數(shù):T是u2的周期，即：此時：5.電容濾波電路當負載開路時，時間常數(shù)τ趨近無窮大，輸出：3.二極管承受的反向峰值電壓：2.流過二極管的瞬時電流很大。正常情況下：1.輸出電壓平均值UO(AV)的大小取決于時間常數(shù)RLC。RLC值愈大

電容器放電愈慢

UO(AV)值愈大。通常用于負載電壓較高，負載變動不大的場合。電路特點：適用場合：取RLC≥(3~5)T/2時，6.電感濾波電路適用于低電壓、大電流的場合。峰值電流很小，輸出比較平坦，但是由于線圈鐵心的存在，體積大而笨重。對諧波分量:

f越高，XL

越大，電壓大部分降在XL上。Uo≈0.9U2忽略電感線圈的直流電阻時，輸出電壓的平均值：對直流分量:

XL=0相當于短路，電壓大部分降在RL上；電路特點：7.復(fù)式濾波電路

π型LC橋式整流濾波電路中，由于電容對交流呈現(xiàn)的阻抗很小，電感對交流呈現(xiàn)的阻抗很大，因此負載上得到的諧波電壓較小。

π型RC橋式整流濾波電路由于電阻要消耗一定的有功功率，所以致使電源消耗功率較大，電路效率較低。實用中采用較少。7.復(fù)式濾波電路8.并聯(lián)型穩(wěn)壓電路電路組成電路因二極管與負載并聯(lián)而稱為并聯(lián)型穩(wěn)壓電路，也稱為硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。圖中電阻R為限流電阻，用來限制通過穩(wěn)壓二極管VZ的電流，起限流保護作用。結(jié)構(gòu)特點：8.并聯(lián)型穩(wěn)壓電路工作原理并聯(lián)型穩(wěn)壓電路利用硅穩(wěn)壓管工作時電流變化很大但電壓基本不變的特點進行穩(wěn)壓調(diào)整。當負載增大(或減小)時，負載電流隨之增大(或減小)，限流電阻上的電壓UR隨之增大(或減小)，因UO=Ui-UR，當輸入電壓Ui不變時，UO隨之減小(或增大)，實現(xiàn)了自動調(diào)節(jié)。①

Ui

不變，RL

變化時8.并聯(lián)型穩(wěn)壓電路工作原理

當負載不變，輸入電壓Ui增大(或減小)時，UC隨之增大(或減小)，由于調(diào)整穩(wěn)壓管兩端電壓基本不變，所以限流電阻上通過的電流隨之增大(或減小)，端電壓UR隨之增大(或減小)，IZ隨之增大(或減小)，保證了負載電壓和負載電流基本不變，實現(xiàn)了自動調(diào)節(jié)。②RL

不變，

Ui

升高虛擬仿真知識鏈接項目目標與重難點項目引入030602直流穩(wěn)壓電源的制作0407項目評價08項目總結(jié)項目拓展0105項目實踐虛擬仿真穩(wěn)壓電路仿真1．電路左圖為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，右圖為其仿真電路圖。2.仿真內(nèi)容及要求（1）繪制串聯(lián)型穩(wěn)壓電路仿真電路圖，遵守仿真電路圖繪制規(guī)范。（2）改變Ui的值（其他參數(shù)不變），測量并記錄Uo的值。虛擬仿真知識鏈接項目目標與重難點項目引入030602直流穩(wěn)壓電源的制作0407項目評價08項目總結(jié)項目拓展0105項目實踐項目實施圖為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路（1）按上圖連接串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，Ui接20V直流電源。（2）按表1-4的要求，改變Ui的值（其他參數(shù)不變），用萬用表直流電壓擋測量Uo，并記錄于表中。表1-4

改變Ui的值（其他參數(shù)不變）時的測試結(jié)果Ui/V252015Uo/V

項目實施圖為三端集成穩(wěn)壓器電路按上圖連接三端集成穩(wěn)壓器電路。按表1-6的要求，改變Ui的值，用萬用表直流電壓擋測量Uo，并記錄于表中。表1-6改變Ui的值（RL=100kΩ）時的測試結(jié)果Ui/V2520159Uo/V

虛擬仿真知識鏈接項目目標與重難點項目引入030602直流穩(wěn)壓電源的制作0407項目評價08項目總結(jié)項目拓展0105項目實踐項目評價項目工單姓名

班級

成績

工位

項目要求1）半導(dǎo)體基本知識基本知識2）整流電路3）濾波電路4）穩(wěn)壓電路任務(wù)完成結(jié)果(故障分析、存在問題等)注意事項項目實施步驟：

結(jié)論與分析：

收獲：

評閱教師：評閱日期：考