直流稳压电源分析与调试

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1、 项目1 直流稳压电源分析与调试教学导航教知识重点1直流稳压电源的组成及工作原理； 2整流电路组成及工作原理；3三端集成稳压器； 4二极管的构成及应用知识难点1整流电路组成及工作原理；2三端集成稳压器的选择与使用推荐教学方式将直流稳压电路分解为不同模块的电路，通过制作与测试，让学生掌握仪器设备的使用和元器件的识别，并通过测试结果引入理论分析，然后通过理论学习指导学生调试电路中出现的问题，加深对理论的认识。建议学时16学时学推荐学习方法 从简单任务入手，通过器件的检测与识别、直流稳压电源各组成电路的制作、测试与调试，逐步掌握直流稳压电源各部分的工作原理，最终学会直流稳压电源的相关知识，并能根据输

2、出电压要求选择合适的器件。必须掌握的理论知识1直流稳压电源电路的组成及工作原理；2二极管的特性及应用；3三端集成稳压器必须掌握的技能1万用表、示波器等仪器的使用；2二极管、变压器、电解电容和集成稳压器的识别与检测；3直流稳压电路各部分电路的分析与调试项目描述一般电子设备都采用直流供电，将交流电转变为直流电的设备称为直流稳压电源。本项目制作一个输出电压为+12V的直流稳压电源，原理图如图1-1所示，制作完成的电路如图1-2所示。图1-1 直流稳压电源电路图变压电路整流电路滤波电路稳压电路图1-2 直流稳压电源实物图项目所用的元件清单如表1-1所示。表1-1 直流稳压电源元件清单序号元件代号名称型

3、号及参数功能1CT电源输入线5A/250V220V交流电输入2T变压器220V/12V变压：220V变为12V交流电3 VD1、VD2、VD3、VD4二极管1N4007构成桥式整流电路：将12V交流电变换为脉动直流电4C1电解电容2200F/50V滤波：滤除脉动直流电中高频交流成分5IC三端集成稳压器L7812CV稳压：将平滑直流电变换为稳定直流电6C2瓷介电容0.33F滤波：滤除脉动直流电中高频交流成分7C3瓷介电容0.1F滤波：减小输出端电压波动8C4电解电容100F/25V滤波：减小输出端电压波动9R电阻1k负载。限流：保护发光二极管10VD5二极管1N4007保护：防止过压，导致稳压器

4、损坏11VD6发光二极管LED-3状态指示12S1、S2、S3单刀单掷开关控制电路的通、断，便于调试13排针、排母、杜邦线引出作为测试点，便于替换元器件u 项目分析本教程后续各个项目的电路中都需要直流稳压电源供电，而发电厂、变电站输送的是交流电，这就需要将交流电变成直流电。本项目制作的是一种单相小功率直流稳压电源，能够将交流电转换成直流电。该直流稳压电源由变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分构成，在制作和调试过程中按照信号流向，从二极管的识别与检测、整流电路制作与分析、滤波电路制作与分析，到稳压电路制作与分析，逐步完成直流稳压电源的制作。在此过程中，对直流稳压电源电路各部分的工作原理、

5、参数计算、元件选取与识别、电路调试等方面进行讲解和介绍。u 知识目标1理解直流稳压电源的基本组成、工作原理和电路中各元器件的作用；2掌握二极管的结构、符号、分类和作用；3理解单相整流电路的组成及工作原理；4理解滤波电路的组成及工作原理；5熟悉常见集成稳压器特性及应用电路。u 能力目标1 能使用万用表检测变压器、二极管、电解电容、整流桥堆等元器件；2 会查阅二极管、稳压器等器件用户手册资料，并根据要求选取适当的器件；3 能按电路图安装、制作和调试直流稳压电源；4 能对电源参数进行测量；5 能对直流稳压电路典型故障进行分析、判断和处理。直流稳压电源简介单相小功率直流稳压电源一般由变压、整流、滤波、

6、稳压四部分组成，如图1-3所示。220V/50Hz的交流电经过变压器降压到一定的大小后，通过整流电路将其输出的交流电转变为脉动的直流电，然后通过滤波电路将脉动的直流电转变为较平滑的直流电，最后通过稳压电路，将平滑的直流电转变为稳定的直流电输出。图1-3 直流稳压电源组成框图1. 变压电路将220V/50Hz的交流电转换为适当大小的交流电，一般采用降压变压器电路。2. 整流电路将极性变化的交流电转变为极性单一的脉动直流电，常采用二极管整流电路。3. 滤波电路滤除整流后脉动电压中的交流成分，将脉动的直流电转变为平滑的直流电，常采用电容、电感及其组合电路。4. 稳压电路将平滑的直流电转变为稳定的直流

7、电，使其基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，小功率稳压电源常采用集成三端稳压器电路。1.1 二极管识别与检测在直流稳压电源的整流电路中，实现整流功能的器件是二极管。在分析和测试整流电路之前，先学习二极管相关的知识。1.1.1 器件认知与测试1二极管器件认知半导体二极管又称晶体二极管，简称二极管。根据功能和结构分为不同的类型，常用二极管器件的外形及封装形式如图1-4所示。整流二极管稳压二极管开关二极管变容二极管发光二极管光电二极管图1-4 常见的二极管由于功能不同，二极管外形各异，但内部结构基本相同，二极管结构示意图如图1-5（a）所示。将PN结用外壳封装起来，并在两端加上电极引线就构成了

8、半导体二级管。其中，从P区引出的电极称为阳极（或正极），用“a”表示（或用“+”表示），从N区引出的电极称为阴极（或负极），用“k”表示（或用“”表示）。电路符号如图1-5（b）所示。 （a）二极管结构示意图 （b）二极管电路符号图1-5 二极管结构及电路符号2二极管极性识别与质量检测二极管极性的识别可通过以下三种方法来判断：1） 通过标记来识别极性。如果外壳上有二极管的符号标记，则标有三角形箭头的一端为正极，另一端为负极.。如果二极管有色环或色点标志，则色环或色点的一端为阴极，另一端为阳极，如图1-6所示。该方法简单，但是无法判断二极管的质量好坏。 图1-6 二极管识别2） 用数字万用表判断

9、极性与好坏。将数字万用表测量档位选择“二极管”档（万用表的使用方法可以参照本章附录），将红、黑表笔分别接二极管的两个引脚。若显示为“| .”或“0L”（溢出），如图1-7（b）所示，说明测得是反向特性。交换测试笔再次测试，则应出现数值，此数值是以小数表示的二极管正向压降值，如图1-7（a）所示。由此，可判断二极管的极性和二极管的材料。显示正向压降值时红表笔所接引脚为二极管的阳极，黑表笔所接引脚为二极管的阴极，正向压降为0.2V左右为锗二极管，0.7V左右为硅二极管。若正、反向测量所得压降值均显示“0V”，说明二极管内部短路；若正、反向测量所得压降值均显示“|.”，说明二极管开路失效。测试你当前

10、所用的二极管相关值并填入表1-2中。二极管档位二极管档位 （a）正向测量 （b）反向测量图1-7 数字万用表判别二极管极性与质量表1-2 二极管检测数据电压 型号正向压降反向压降材料判断（硅/锗）质量判断1N40073）用指针式万用表判断极性与好坏将指针式万用表置于电阻档的R100或者R1k档位（指针式万用表的使用方法可以参照本章附录），两表笔交换测量二极管的电阻值。如果二极管性能良好，则两次测量电阻值必然出现一大一小的显著区别，且大的一次趋于无穷大，小的为正向电阻，大的为反向电阻。由此可断定二极管两端的极性，即当测得阻值较小时，黑表笔接的那一端为二极管的正极（注意：指针式万用表电阻档的红表笔

11、接内电池的负极，黑表笔接内电池的正极），如图1-8所示。如果测得的二极管正、反向电阻都很小，说明二极管已经失去了单向导电作用。如果正、反向电阻都很大，则说明二极管内部已经断路。 图1-8 指针式万用表判别二极管极性与质量表1-3 二极管检测数据阻值 型号正向电阻反向电阻电阻档位质量判断1N40073二极管特性测试接直流电源测试用排针1）单向导电性测试电路排针电阻排母 （a）原理图 （b）测试实物图图1-9 二极管特性测试电路图首先按照前面所讲的方法对本次测试所用的二极管的极性和质量进行判断，然后在万能板上按图1-9（a）原理图进行电路焊接。为了按直流稳压电源四部分电路逐步增加完成，在焊接前要注

12、意电路的布局，二极管与电阻之间的距离要远一些，为滤波电路和稳压电路预留空间，并通过使用排母和排针来增加电路板的扩展性，方便串入或并入万用表，测量电流或电压，具体测试电路实物如图1-9（b）所示。2）二极管单向导电性测试（1）打开直流电源，设置电源输出为5V，关闭电源。用杜邦线连接图1-9（b）中的两个排针，然后将直流电源输出端接到测试电路输入端，再接通电源。此时UI = 5V，二极管两端所加的电压为正向电压，用万用表直流电压档测量输出电压的大小UO= _V，测量二极管两端的电压UVD=_V。结论：当二极管两端所加电压为正向电压时，二极管将_（导通/截止）。（2） 保持步骤（1），关闭电源，将电

13、源反接到电路输入端，即电源正极结电路的负极输入端，电压负极接电路正极输入端，再打开电源。此时二极管两端所加的电压为反向电压UI = -5V，用万用表测得UO=_V，UVD=_V。从以上测试结果知：当二极管两端所加电压为反向电压时，二极管将_（导通/截止）；当二极管两端所加电压为反向电压时，二极管将_（导通/截止）；二极管具体_性，且正向导通时，导通电压降约为_V。 思考：（1）二极管的导通与截止状态与开关器件有何异同？（2）二极管为什么具有单向导电性？（3）利用该焊接完成的电路能否测量二极管的伏安特性？1.1.2 二极管相关知识在前面的测试中我们可以得出二极管具有单向导电性的结论，即二极管阳极

14、接电源正极，阴极接电源负极，此时二极管导通，反之，则二极管截止。二极管为何有这个特性？这要从制造二极管的材料开始讲起。1半导体基础知识二极管是由半导体材料构成。半导体是导电性能介于导体与绝缘体之间的一类物质。半导体具有热敏性、光敏性和掺杂性。常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）和砷化镓（GaAs）等，半导体可以分为本征半导体和杂质半导体。1）本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。当温度上升或受到光照时，部分价电子获得足够的能量，从而挣脱共价键的束缚变成自由电子，电子带负电。与此同时，失去价电子的原子在该共价键上留下一个空位，这个空位称为空穴，空穴带正电。在“热激发

15、”条件下，本征半导体中的电子和空穴是成对产生的；当电子和空穴相遇“复合”时，也成对消失；电子和空穴均能自由移动，电子和空穴都是载流子。如图1-10所示。 图1-10 本征半导体结构图2）杂质半导体在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，使其导电性能发生显著变化后所形成的半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质元素的不同，杂质半导体可分为P型半导体和N型半导体。（1）P型半导体P型半导体是在本征半导体中掺入微量的三价元素（如硼、铟等）而形成的。P型半导体的示意图如图1-11所示。由于杂质的掺入，使得空穴的数目远大于自由电子数目，成为多数载流子（简称多子），自由电子则为少数载流子（简称少子）。 图1-11

16、 P型半导体图1-12 N型半导体（2）N型半导体 N型半导体是在本征半导体中掺入微量的五价元素（如磷、砷等）而形成的。N型半导体的示意图如图1-12所示。由于杂质的掺入，使得自由电子的数目远大于空穴数目，成为多数载流子，空穴为少数载流子。半导体中多子的浓度取决于掺入杂质的多少，掺入杂质越多，浓度越高，导电性能越强，少子的浓度与温度密切相关。3）PN结单纯的一块P型半导体或N型半导体，只能作为一个电阻元件。但如果采用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性，二极管的核心就是一个PN结。（1）PN结的形成P区和 N区中的多数载流

17、子存在一定的浓度差，浓度差使多子向另一边扩散，如图1-13（a）所示；扩散中当电子与空穴相遇时，会发生复合而消失，必然在交界面两侧留下不能移动的正、负电荷区，从而产生了内电场；内电场将阻止多子扩散而促进少子漂移；当扩散与漂移达到动态平衡时，交界面上就会形成稳定的空间电荷区（或势垒区、耗尽层），PN结就形成。如图1-13（b）所示。（a）载流子的扩散运动（b）平衡状态下的PN结图1-13 PN结的形成（2）PN结单向导电性如图1-14（a）所示，P区接高电位，N区接低电位，称为正向偏置，此时空间电荷层变窄，内电场变弱，扩散运动大于漂移运动，正向电流很大（多子扩散形成）， PN 结呈现为低电阻，称

18、为正向导通。如图1-14（b）所示，P区接低电位，N区接高电位，称为反向偏置，此时空间电荷层变宽，内电场增强，漂移运动大于扩散运动，反向电流很小（少子漂移形成）， PN 结呈现为高电阻，称为反向截止。反偏电压在一定范围内，反向电流基本不变（也称为反向饱和电流）。（a）PN结加正向电压 （b）PN结加反向电压图1-14 PN结的单向导电性在PN结的的两端引出金属电极，外加玻璃、金属或用塑料封装，就做成了二极管，所以二极管具有单向导电性。2二极管的伏安特性二极管的伏安特性就是流过二极管的电流I与加在二极管两端的电压U之间的关系曲线，用I-U直角坐标系描述出来，就是二极管的伏安特性曲线，普通二极管的

19、伏安特性曲线如图1-15所示。死区：当正向电压很小时，正向电流几乎为零死区（OA段）。使二极管开始导通的临界电压称为开启电压Uth。一般，硅管Uth0.5V，锗管Uth0.1V。反向击穿区：当反向电压增大到某一数值时UBR，反向电流急剧增加。反向截止区：在一定的反向电压范围内，反向饱和电流几乎为零。正向导通区：当正向电压大于开启电压Uth且通过非线性区（AB段）后，电流随着电压近似指数规律变化。硅管的导通压降为0.7V，锗管的导通压降为0.3V。图1-15 二极管伏安特性曲线在二极管的伏安特性曲线图中，可以分为正向特性和反向特性。其中正向特性分为两个区间，即死区和正向导通区；反向特性分为两个区

20、间，即反向截止区和反向击穿区。在反向击穿区二极管会失去单向导电性，如果二极管没有因电击穿而引起过热，则单向导电性不一定会被永久破坏，在撤除外加电压后，其性能仍会恢复。但是，如果对反向击穿后的电流不加限制，PN结会因过热而烧坏，这种情况称为热击穿，热击穿后二极管将不能再使用。综上所述，二极管的伏安特性是非线性的，因此二极管是一种非线性器件。在外加电压取不同值时，就可以使二极管工作在不同的区域，从而充分发挥二极管的不同作用。3二极管的等效电路二极管的伏安特性具有非线性，这给二极管应用电路的分析带来一定困难。为了便于分析，常在一定的条件下，用线性元件所构成的电路来近似模拟二极管的特性。能够模拟二极管

21、特性的电路称为二极管的等效电路。1）理想模型将二极管理想的等效为一个开关，导通时，管压降为0V，相等于开关闭合；截止时，电阻无穷大，电流为0，相等于开关断开，伏安特性及等效电路如图1-16所示，其中虚线表示实际二极管的伏安特性。在实际的电路中，当电源电压远大于二极管的管压降时，利用此法进行近似分析是可行的。图1-16 理想模型2）恒压降模型将实际二极管等效为一个开关和一个0.7V的直流电压串联，该模型如图1-17所示。即导通时认为其管压降UVD是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V，此时可等效为0.7V的直流电压。不过，这只有当二极管的电流近似等于或大于1mA是才是可行的；截止时等效为开关

22、断开。该模型提供了合理的近似，因此应用较广。图1-17 恒压降模型【例题1-1】一个简单的二极管电路如图1-18所示，R=10k，VDD=5V，分别用理想模型、恒压降模型，求电路的ID和VD的值。解： 使用理想模型 恒压降模型：图1-18 例题1-1电路图 4二极管的主要参数对于任何一个器件，不仅要知道它是什么、有什么功能以及工作原理，还需要会选用不同型号的器件，选择器件的一个重要依据是看它的参数是否满足设计要求。二极管的参数是定量描述二极管的质量和性能指标，只有正确理解这些参数的意义，才能合理、正确的选择和使用二极管。1）最大整流电流IF最大整流电流是指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均

23、电流。因为电流通过PN结时会引起管子发热，电流太大，发热量超过限度，PN结将烧坏。例如，二极管1N4007的IF = 1.0A，说明通过1N4007的正向平均电流不能持续超过1A，否则器件将烧坏。2）最高反向工作电压URM反向击穿电压是反向击穿时的电压值。一般手册上给出的最高反向工作电压是反向击穿电压的一半，以确保二极管安全工作。例如，2AP1型二极管的最高反向工作电压规定为20V，实际的反向击穿电压为40V。3）反向电流IR指在室温下，二极管两端加上规定的反向电压时的反向电流，也叫反向饱和电流。反向电流越小，管子的单向导电性越好。由于温度上升，反向电流会急剧增加，因而在使用二极管时要注意环境

24、温度的影响。此外二极管还有结电容和最高工作频率等许多参数。二极管的参数是正确使用二极管的依据，上面说讲的二极管参数都可以在二极管的技术文档中查到，技术文档可在网上获取。在使用时应特别注意最大整流电流和最高反向工作电压，如何选择不合适，二极管很容易损坏。1.1.3 特殊二极管简介二极管的种类非常丰富，可以满足不同的功能需求，下面介绍几种常用的特殊二极管。1稳压二极管稳压二极管简称稳压管，其结构与普通二极管相同，但是采用特殊的工艺制造。在反向击穿区，稳压管电流变化很大而电压基本不变，利用这一特性可实现电压的稳定。由于它工作在反向击穿区的电击穿区，所以在规定的电流范围内使用时，不会形成破坏性的击穿。

25、稳压管的伏安特及电路符号如图1-19所示。U/VI/mAOUZUBRIminImaxIZUZ反向击穿状态：在较大的电流变化范围内，两端电压UZ基本不变。阴极k阳极a图1-19 稳压管的特性曲线及电路符号稳压管的主要参数有： 稳定电压UZ：稳压二极管在起作用的范围内，其两端的反向电压值称为稳定电压。 稳定电流IZ：也称最小稳压电流，即保证稳压管具有正常稳压性能的最小工作电流，如图1-19中的Imin。 最大耗散功率PM：稳压管的稳定电压UZ和最大稳定电流Imax的乘积。超过PM或Imax时，稳压管会因过热而损坏。稳压管在电路中的主要作用是稳定电压。在使用稳压管是要满足两个条件：一是管子工作反向击

26、穿状态，即稳压管阳极接电源的负极，阴极接电源的正极；二是要有限流电阻配合使用，保证流过管子的电流在允许范围内（不超过Imax）。2发光二极管发光二极管（LED）是一种光发射器件，能把电能直接转化为光能，它是由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）等元素的化合物制成。由这些材料构成的PN结在加上正向电压时，就会发光，光的颜色主要取决于制造所用的材料，目前有红、黄、蓝、绿、黄等颜色。如图1-20所示是发光二极管的符号。图1-20 发光二极管电路符号发光二极管工作在正偏状态，也具有单向导电性。它的导通电压比普通二极管要大，一般在1.7V2.4V，工作电流一般为520mA。应用时，应加上正偏电压，且一定串接

27、上限流电阻。发光二极管的应用主要是信息指示与显示、光源等。发光二极管的检测与普通二极管相似，用数字万用表正向测试时显示导通压降，并且会发出微弱的光，反向测试时，显示“|.”（溢出）。3光电二极管光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。目前广泛应用在自动探测、控制和光电转换等装置中，它的结构和符号如图1-21所示。光电二极管的封装一般采用透明材料，有的管壳上开有一个透明的窗口，使外部光线能够照射到PN结上，PN结型光电二极管充分利用PN结的光敏特性 。光电二极管与稳压管一样，都是在反向电压下工作，在无光照射时，它呈现很大的反向电阻，因而通过它的电流很小。当管中PN结受到光照时，光能被PN结吸

28、收而产生反向电流，其反向电流随着光照强度增大而增大，从而将光信号转换成电信号。图1-21 光电二极管结构与电路符号1.2 整流电路分析调试 整流电路是构成直流稳压电源的重要环节，它利用具有单向导电性能的整流元器件，将正负交替的交流电压变成单方向的脉动电压。1.2.1 电路制作与测试本次制作与调试的整流电路的电路图如图1-22所示。 图1-22 桥式整流电路原理图ABCD1元器件识别与检测1）二极管的检测用万用表测量新增的二极管VD2VD4的极性与好坏。方法参照1.1.1节所述方法进行。2）变压器的检测变压器的作用是将220V的交流电变为12V的交流电。电压变压器的质量及性能可以通过测量电阻和上

29、电后测量输出电压来确定。设初级线圈的两个引脚为A、B，次级线圈的两个引脚为C、D，如图1-23所示，将万用表调到合适的电阻档位，测量变压器四个引脚的电阻值，并记录： 初级线圈A、B间的电阻为_。 次级线圈C、D间的电阻为_。图1-23 测试所用变压器 A-C或B-D之间的电阻为_。 通常测得的A-B间的电阻较大，表明初级线圈的匝数多或使用的导线细。C-D间的电阻较小，表明次级线圈的匝数少或使用的导线粗。A-C或B-D间的正常情况电阻应该为无穷大，表明两个线圈相互绝缘。根据上面的测试数据对比变压器正常时的数据，可判断你当前所用的这个变压器是_(正常/不正常)。如果不正常请更换变压器并重新进行测量

30、。在判定变压器没有断路或短路的问题后，可以上电测试其输出的电压值是否与标称值一致。将变压器初级线圈的引脚与电源插头链接好，并用绝缘胶带封好，检测无误后将插头插到电源插座接入220V交流电。使用数字万用表的交流电压档，根据输出电压值的大小选择合适档位，分别将万用表的红、黑笔接变压器的次级输出引脚，并记录：变压器次级线圈引脚输出的电压值为_V，是否与变压器铭牌上标写的基本一致_（是/否）。 3）桥堆的识别与检测整流电路可以由由四个二极管构成，也可以用整流桥堆来实现。整流桥堆由四只整流硅芯片作桥式连接，外用绝缘朔料或金属封装而成。常见的整流桥堆如图1-24所示。图1-24 桥堆外形及内部电路（1）引

31、脚的识别与判断整流桥堆由四个二极管组成，有四个引脚。两只二极管负极的连接点是全桥直流输出端的“正极”，两只二极管正极的连接点是全桥直流输出端的“负极”。大多数的整流全桥上，均标注有“+”、“”、“”、“AC”符号 (其中“+”为整流后输出电压的正极，“”为输出电压的负极，“”或“AC”为交流电压输入端)，桥堆引脚标识与内部电路的关系如图1-24所示，通过标识可确定出桥堆各个引脚。此外，有些整流桥堆的4个引脚是长短不一的，通常整流输出“+”极的引脚最长，“”极的次之，交流输入引脚最短；而方形封装的整流桥一般由于一个缺口，缺口对应的引脚通常为“+”极。如果没有标记或标记模糊不清，可根据整流桥堆结构

32、，用数字万用表来判断。将数字万用表打到二极管档，通过测量二极管正向导通压降来判断。（2）整流桥堆好坏的判断根据整流桥的结构，在已知各个引脚的极性后，利用数字万用表的二极管档，分别测量正向导通压降和反向导通压降：首先将红表笔接“-”极，黑表笔分别接其他三个引脚，与交流输入引脚“”之间的正向导通压降为0.5V左右，与“+”极的正向导通压降为1.0V左右；然后黑表笔接“+”极，红表笔分别接其他三个引脚，测得反向导通压降均显示为溢出，表明该整流桥堆是良好的。如果测得数据与上述数据偏差较大，该整流桥堆可能损坏。2. 电路焊接（1）在二极管单向导电性测试电路的基础上，进行电路布局与走线，为了方便后续滤波和

33、整流电路的焊接，负载与整流输出之间要适当离得远一点，可参照图1-25。（2）按电路图1-22进行器件装配与电路焊接，注意修改输入电源电路；（3）电路板检查。检查内容包括： 检查元器件有无错装、漏装，连线是否正确，连线方向是否与电路图一致，特别是电源输入电路，不能直接在1.1.1节电路的基础上直接加变压器，需要对焊接电路进行调整。 检查焊点焊接，是否焊接牢靠，有无虚焊、缺焊、脱焊。 检查元器件的安装情况，主要检查变压器的初级与次级是否接反、四个二极管的极性是否接错，元器件引脚之间有无短路、接触不良。短路或断路情况可以利用数字万用表“二极管挡”的蜂鸣器检查。 上电前，仔细检查电源线与稳压器之间的连

34、线是否牢靠以及绝缘胶布缠绕是否完全包裹接线处，没有问题后按图1-25所示连接进行相关的测试。图1-25 测试连接指示图3测试内容使用示波器分别观察桥式整流电路的输入电压和输出电压波形，并记录在表1-4中：（1）观察波形，输出电压是_（双极性/单极性），且是_（全波/半波）波形。（2）桥式整流电路输入电压的正弦波频率为_Hz，桥式整流电路输出电压的脉动频率为_Hz。（3）用数字万用表交流电压档测量变压器输出电压的有效值U2 V，选择数字万用表的直流电压档，测量负载RL两端输出电压U_V。表1-4 二极管整流输出波形整流类型输入电压波形u2输出电压波形UO桥式整流思考桥式整流电路是如何将极性正、负

35、变化的交流电变为极性单一的脉动电压？ 1.2.2 整流电路相关知识1半波整流电路（1）电路组成和工作原理最简单的整流电路是半波整流电路，电路如图1-26（a）所示。由变压器T，一个为整流二极管VD以及负载电阻RL构成。(a) 电路图 （b）单相半波整流波形图图1-26 单相半波整流电路设变压器次级交流电压为，其中，U2是有效值，u2波形如图1-26 (b)所示。当u2处于正半周时，变压器的次级绕组A端为正，B端为负。二极管VD因承受正向电压而导通，有电流流过二极管和负载，并且iO=iD，忽略二极管导通时的正向压降（通常小于1V），则uO=u2；当u2处于负半周时，变压器的次级绕组A端为负，B端

36、为正。二极管VD因反向偏置而截止，电路中电流为零，这时在RL上的输出电压uO=0。此时，u2全部加在二极管上，u=u2。电路的电流和电压如图1-26（b）所示。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，故称为半波整流。 （2）电路的指标参数1）整流输出电压的平均值O(AV)。（输出电压uO在一个周期内的平均值） （1-1） 2）输出电压的波动系数（基波峰值电压与平均电压之比） （1-2） 3）二极管正向平均电流。是指一个周期内通过二极管的平均电流，二极管的正向平均电流与流过负载电流相对，故 （1-3） 4）二极管最大反向工作电压。是指二极管不导通时在它两端承受的最大反向电压。

37、 （1-4）2. 桥式整流电路半波整流电路结构简单，使用元件少，但负载上只有半个周期的正弦电压，整流效率低，为了提高整流的效率，采用四个二极管组成的电桥来进行整流，电路如图1-27（a）所示。它是由电源变压器T、四个整流二极管VD1、VD2、VD3、VD4以及负载RL组成。在本节的测试中，观察到全波整流电路的输出波形与图1-27（b）相似，为何整流电路的输出波形是全波呢？我们来看一下桥式整流的工作原理： （1）工作原理当u2处于正半周期，VD1和VD3正偏导通，VD2和VD4反偏截止，视作开路。电流按图1-27（a）实线所示路线，由A端通过VD1流过负载RL，再通过VD3回到B端，RL上形成至

38、上而下的电流i+（图中实线）流过，RL上的电压uO = u2。当u2处于负半周期，VD1和VD3反偏截止，视作开路，VD2和VD4正偏导通。电流按图1-27（a）虚线所示路线，由B端通过VD2流过负载RL，再通过VD4回到A端，RL上形成至上而下的电流i-（图中虚线）流过，RL上的电压uO = -u2。可见在整个周期中，4个二极管分两组轮流导通，使负载上总有电流流过，可画出整流波形如图1-27（b）所示。（a）桥式整流电路图 （b） 桥式整流波形图图1-27 桥式整流电路图与波形图（2）电路的指标参数1）整流输出电压的平均值（平均电压）。 （1-5）2）输出电压的波动系数 （1-6）3）二极管

39、正向平均电流。是指每一个二极管上流过的平均电流，是流过负载的平均电流一半。 （1-7）4）二极管最大反向工作电压 （1-8）（3）整流二极管的选择整流电路在选择整流二极管的时候，必须满足以下两个条件：1） 二极管的额定反向电压应该大于其承受的最高反向工作电压，即UR URM。2） 二极管的额定整流电流应大于二极管的平均电流，即IF ID。【例题1-2】在桥式整流电路中，要求直流输出电压UO=50V，负载为RL=25。现有二极管2CZ56E，试判断该电路中能否用2CZ56B作为整流二极管。解： 查阅资料可知，2CZ56B的最大整流电流为3A，最高反向工作电压为50V。由于该二极管的最高反向工作电

40、压不能满足电路要求的最低78.6V，因此此二极管不能作为该桥式整流电路的整流元件。1.2.3 整流电路故障调试在测试过程中不可避免地会出现各种各样的故障，所以检查和排除故障是电子工程人员必备的技能。面对一个电路，要从大量的元器件和线路中迅速、准确地找出故障，要求掌握正确方法。一般来说，故障诊断过程是：从故障现象出发，通过不同的方法找到故障点，根据所掌握的知识做出分析判断，最终找出故障原因并解决。1. 检查排除故障常用的基本方法（1）观测法：通电前检查元器件引脚接线，有无错接，短路，接反，断线等情况，通电后观察元器件有无发烫，冒烟，有焦糊味等情况。（2）信号跟踪法：在调试电路的输入端接入适当幅度

41、与频率的信号，利用示波器或万用表按信号的流向，从前至后逐步观察电压波形及幅值变化情况。（3）对比法：怀疑某一电路存在问题，可将此电路参数和工作状态与相同的正常电路进行对比，从中分析故障原因。（4）部件替换法：利用与故障电路同类型的电路部件，元器件来替换故障电路被怀疑的部分，问题改善即可确认故障点。2典型故障分析与排除变压后的交流电在经过整流电路后输出的电压波形应该是如图1-27（b）所示的全波波形，但由于某些原因一般会出现以下几种故障：输出端无波形、输出端为半波波形、输出端电压值不正常。下面根据所讲知识结合故障排除的技巧和方法来分析故障可能产生的原因。（1）输出端无任何波形若没有任何波形输出，

42、可先采用信号跟踪法，从变压电路到整流电路依次排查，排查中主要使用数字万用表和示波器来定位故障。排查的步骤可参考图1-28。图1-28 全波整流无波形输出故障排查流程图（2）输出端为半波波形整流桥的四个二极管在输入波形的正负半周是交替导通的，即在正半周VD1和VD3导通，在负半周VD2和VD4导通。因此，首先观察当前是输出半波波形是正半周还是负半周，如果是只输出正半周，则检查二极管VD2和VD4的极性是否焊接错误，然后检查电路焊接是否正确，如果没有错误则断电后，用万用表分别检测二极管是否损坏并更换。如果是仅输出负半周，则检查VD1和VD3。另外可能的原因是：用了示波器的两个通道同时观察输入波形和

43、整流后的输出波形导致的，因为两个通道同时测试时会由于共地的原因使得输入信号的负半周电流并没有流经负载电阻，尝试示波器用单通道重新进行测试。（3）整流输出电压不正常桥式整流后输出电压的平均值为UO=0.9U2，测量值应与理论值相差不大。如果出现较大差距，可从以下几个方面排查。首先，检查当前输出的波形是否为全波波形，如果是半波波形则输出电压的平均值UO=0.45U2；其次，公式中U2是有效值而不是最大值，用数字万用表交流档测量变压器的输出U2即是有效值，检查测量电压时档位选择是否正确，测量U2时选择的是交流电压档，测量UO时选择的是直流电压档。1.2.4 二极管的其他应用二极管除具有整流作用外，还

44、有其他方面的应用，最典型的有：1开关作用利用二极管两端所加电压的大小和极性，向开关一样控制着电路的通、断。用作开关使用的二极管称为开关二极管。开关二极管要求正向导通压降小，反向恢复时间短，不同于一般的普通二极管和整流二极管。图1-29中是一个LC并联谐振电路，当开关S1断开时，二极管VD截止，此时，振荡频率由L和C1决定；当开关S1闭合时，二极管VD导通，此时，振荡谐振频率由L、C1和C2决定。图1-29 二极管开关应用电路2检波作用将低频信号从高频调幅信号上分离出来的过程，称为检波。检波电路一般由检波二极管、检波电容和检波负载电阻组成。检波电路利用二极管的单向导电性，只让正半周的高频调幅信号

45、通过，再利用电容和电阻构成的高频滤波电路，将高频载波信号旁路，留下直流分量和低频信号输出。如图1-30所示。高频调幅信号经过二极管后信号检波之后获得信号 图1-30 二极管的检波应用电路3限幅作用利用二极管导通后压降很小且基本保持不变的特性，可以构成信号限幅电路，使输出电压幅度限制在某一个电压值内，如图1-31所示。00.7V-0.7V00.7V-0.7V图1-31 二极管的限幅应用电路当输入信号ui较小时，不足以让二极管VD1或VD2导通，输出信号uo等于输入信号。当输入信号ui超过二极管导通压降时，二极管VD1或VD2导通且保持导通电压（硅管为0.7V），输出信号uo的幅度被限制在导通电压

46、上。如果限幅的电压值较大，可以通过多个二极管串联实现，例如要将高低电平限制在2.1V2.1V，此时可以在上图中正向串联三个硅二极管，反向串联三个硅二极管。1.3 滤波电路分析调试整流电路的输出电压中含有较大的脉冲成分，一般不能作为电压为电子电路供电，必须采取措施减少输出电压中的交流成分，使输出电压接近理想的直流电压。这种措施就是采用滤波电路。滤波电路由具有储能作用的电抗性元件构成，常用的储能元件有电容和电感。1.3.1 电路制作与测试本次制作与调试的整流电路的电路图如图1-32所示。 图1-32 电容滤波测试电路1. 元器件识别与检测1）电解电容识别电容器按极性的有无可以分为有极性电容和无极性

47、电容两种。有极性电容一般为容量较大的电解电容，正常的有极性电容在外壳上有很清晰的极性标志符号，如图1-33所示，标有“”的一侧引脚为电解电容负极。使用时，正极性接高电位，负极性接低电位，不可接反。无极性电容引脚接法任意。当标志不清时，用指针式万用表测量电容器两端的正、反向电阻值，当表针返回稳定时，比较两次所测电阻值读数大小。在阻值较大的一次测量中，黑表笔所接为电容器的正极，红表笔所接是电容器负极。图1-33 电解电容2）检测方法外观判别：从外观判别电容器的好坏，是指损坏特性较明显的电容器，如爆裂、电解质渗出、引脚锈蚀等情况，可以直接观察到损坏特征。万用表判别：一般情况下，可以用指针式万用表电阻

48、档测试的方法，对有极性电容器的质量进行判别。根据电解电容器容量大小，选择指针式万用表合适的电阻档位。通常，1F2.2F电解电容器用R10k档，4.722F的用 R1k档，47220F 的用R100档，4704700F 的用R10档，大于4700F的用R1档。将万用表红表笔接负极，黑表笔接正极，在刚接触的瞬间，万用表指针即向右偏转较大偏度，接着逐渐向左回转，直到停在某一位置。此时的阻值便是电解电容的正向漏电阻，此值略大于反向漏电阻。在测试中，若正向、反向均无充电的现象，即表针不动，则说明容量消失或内部断路；如果所测阻值很小或为零，说明电容漏电大或已击穿损坏，不能再使用。注意：在每次调整万用表档位

49、后要调零，同时电解电容要放电。根据上述方法对本次所用电解电容的质量进行判断，测试数据填入表1-5中。表1-5 电解电容测试记录表序号正向电阻档位：R反向电阻档位：R质量判决122 电路制作及测试1）电路焊接（1）电路布局与走线，为了方便后面稳压电路的焊接，负载与滤波输出之间要有适当空间，同时为了观察电容容量对滤波效果的影响，电解电容不直接焊接在万能板上，而是插在焊好的排母上，焊接的布局可参考图1-34中的电路板。（2）电路板检查。检查内容包括：插在排母上的电解电容极性是否正确以及新增连线是否存在短路、短路等问题。2）电路测试（1）按图1-34接好测试仪器。上电后，先远距离观察一下是否有电容爆裂

50、、冒烟等异常现象，如果出现异常现象，立刻断电，并查找问题原因，解决后重新上电。插在排母上 （a）观测滤波输出波形和电压 （b）观测电容滤波波形图图1-34 滤波电路测试图（2）用示波器观察电容滤波电路的输出电压波形。将示波器的测试通道的耦合方式设置为“直流”，将输出波形记录在图1-35（a）中。为了便于观察到电容的充放电过程（即电路的纹波电压），将示波器的通道的耦合方式设置为“交流”，并记录在图1-35（b）中。 U/Vt/msU/Vt/ms（a）输出电压波形 （b）电容滤波充放电波形图1-35 电容滤波输出电压波形图（3）观察该电路的输出电压波形，并记录：滤波后输出电压直流分量为_V，纹波电

51、压峰-峰值（用示波器测量）为_mV。输出电压纹波仍存在，但滤波后的纹波要比滤波前_（大得多/小得多）。说明：纹波电压，是指叠加在输出电压上的交流电压分量。（4）保持负载电阻不变，利用焊接的排母，更换电解电容C1，观察波形，并在表1-6中记录测得的直流电压和纹波电压；（5）保持电解电容不变，利用焊接的排母，更换负载电阻RL，观察波形，并在表1-7中记录测得的直流电压和纹波电压；表1-6 电容C1变化的影响（RL=1k）C1=2200FC1=1000FC1=470F直流分量/V纹波电压/mV表1-7 负载电阻RL变化的影响（C1=2200F）RL=500RL=2kRL=5k直流分量/V纹波电压/m

52、V结论：电容C越大，输出电压纹波_（越大/越小）；负载电阻R越大，输出电压纹波_（越大/越小）。思考（1）为何经过滤波电路后，输出的直流电压变得较为平滑？（2）电容和电阻的值为何会影响到电压纹波分量的大小？1.3.2 滤波电路相关知识在前面的电容滤波电路的测试中，观察到整流后输出的脉动电压在经过滤波后其输出的直流电压变得较为平滑，并且发现改变电容和电阻的值会对滤波效果产生影响。那么，为什么脉动电压经过电容滤波电路后会变得较为平滑？电容滤波电路中的电容和电阻对滤波效果有何影响？ 1电容滤波（1）电路组成电路由桥式整流电路、大容量电容C1和负载RL组成，如图1-32所示。其中电容和负载并联，利用电

53、容两端的电压不能突变的特性来实现滤波。在下面的分析中不考虑二极管的导通电压。（2）工作原理当设备刚上电时，u2处于正半周并且数值大于电容两端的电压UC时，二极管VD1和VD3导通，VD2和VD4截止，电流一路流经负载电阻RL给负载电阻供电，另一路对电容C1充电，因为在理想情况下，变压器无损耗，二极管导通压降为零，所以电容两端电压UC（UO）与u2相等，输出电压UO如图1-36中的OA段。u2到达峰值后开始下降，电容通过负载电阻RL缓慢放电，当UC u2时，导致VD1和VD3也截止，uc按指数规律缓慢下降，如图1-36中的AB段；当u2处于负半周幅值变化到恰好大于UC时，VD2和VD4因加正电压

54、变为导通状态，u2再次对C1充电，如图中BC段，UC上升到u2的峰值后又开始下降；下降到一定数值时，VD2和VD4变为截止，C1对RL放电，UC按指数规律下降；放电到一定数值时，VD1和VD3变为导通，重复上述过程，波形如图1-36所示。在u2的不断作用下，电容上不断的充、放电，从而使得负载上得到一个近似锯齿波的电压，使负载的纹波大为减小。图1-36 单相全波桥式整流电路电容滤波波形图 电容充电时，回路电阻为整流电路的内阻，即变压器内阻和二极管的导通电阻之和，其数值很小，因而充电时间常数很小。电容放电时，回路电阻为负载RL，放电时间常数为RL C1，通常远大于充电的时间常数。因此，滤波效果取决

55、于放电时间。电容越大、负载电阻越大，滤波后输出电压越平滑，并且其平均值越大，脉动越小。（3）主要参数 输出电压平均值Uo。经过滤波后的输出电压平均值得到提高，在工程上，一般按下式估算Uo与U2的关系： （1-9） 二极管的选择。由于电容在开始充电瞬间，电流很大，所以二极管在接通电源瞬间流过较大的冲击尖峰电流，所以在实际应用中要求：二极管的额定电流为： 二极管的最高反向电压为： 电容器的选择。负载上的直流电压平均值及其平滑程度与放电时间常数 t = RLC有关。t 越大，放电越慢，输出电压平均值越大，波形也越平滑。实际应用中一般取 （1-10）式中，T为交流电源周期，T = 1/50Hz = 0

56、.02s。由上式可以估算电解电容的电容值。 电容的耐压值为： 电容滤波电路简单，输出直流电压较高，纹波较小，但是外特性较差，适用于负载电压较高、负载电流较小且负载变动不大的场合。【例题1-3】：在单相桥式整流电容滤波电路中，交流电源频率为50Hz，负载电阻RL=200，要求输出电压UO=24V，试选择整流二极管及滤波电容。解： 整流二极管的选择二极管承受的最高反向工作电压为，而，则根据二极管额定电流IF =（23）ID ，二极管最高反向压降，通过查手册可以选用1N4001、2CP1A等二极管。 滤波电容的选择根据，取，则 电容的耐压值=28.3V可选用330F，耐压值为50V的电解电容器。2其

57、他滤波电路（1）电感滤波电路桥式整流电路的电感滤波电路如图1-37。电感L串联在RL回路中，利用电感中的电流不能突变的特性来实现滤波。由于电感的直流电阻很小，交流阻抗很大，因此直流分量经过电感后基本上没有损失，而交流分量大部分降在电感上，所以减小了输出电压中的脉动成分，负载RL上得到了较为平滑的直流电压。在忽略滤波电感L的内阻时，输出直流电压为： （1-11）图1-37 电感滤波电路电感滤波的优点是输出波形比较平坦，而且电感L越大，负载RL越小，输出电压的脉动越小，适用于电压低、负载电流较大的场合。其缺点是体积大、成本高、有电磁干扰。（2）复式滤波电路为了进一步提高滤波效果，可以将电感、电容和

58、电阻组合起来，构成复式滤波电路。常见的有LC元件构成的倒L型滤波电路和由RC构成的p型滤波电路。如图1-38所示。（a）LC滤波电路 (b) RC p型滤波电路图1-38 其他复式滤波电路1.3.3 滤波电路故障调试通过前面的知识讲解和学习，知道了电容滤波是如何将脉动电压变成了交流成分较小的直流电压，下面来看一下在测试中可能出现的错误以及调试的方法。在调试过程中依然遵循按照信号流向来逐步分析和解决问题。常见的故障现象有：（1）滤波后观察不到电容充放电过程的波形 检查示波器设置，为了便于直观的观察到电容的充放电过程，需将通道耦合方式设置为“交流”，同时需要设置坐标轴合理的档位，通常幅度设为200mV档，时间设为5ms档。 然后确认开关