03 制作晶体管直流稳压电源电子教材.docx
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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
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