课题6 可调直流稳压电源的设计.docx
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课题6可调直流稳压电源的设计
理实一体化课程教师教案
（2012—2013学年第一学期）
专业名称矿山机电
课程名称单片机原理及应用
授课教师姚志广
系部机电工程系
山西煤炭管理干部学院
理实一体化教案首页
教学模块
单片机原理及应用
任课教师
姚志广
审阅
授课时数29
章节课题
可调直流稳压电源的安装、调试及测量
理论课时
6
教学方法
讲授法演示法练习法启发法项目教学法
实训课时
12
基本教材
单片机原理及应用（第二版）高等教育出版社
合计课时
18
授课班级
授课时间
教学目标
1．知识目标：
1、理解直流稳压电源的概念及两种稳压类型电路的特点。
2、掌握稳压电源组成及各部分作用。
2．能力目标：
培养学生接受新知识的理解能力以及实际动手能力、分析解决问题的能力。
3．素质目标：
培养学生主动探索、创新精神；增强的安全意识；提高学生的安全常识知识。
教学分析
重点介绍单相桥式整流电容滤波电路的工作原理及各项指标的计算。
教学重点
1、直流稳压电源的概念及其作用。
2、两种稳压类型电路的特点。
3、稳压电源组成，各部分作用
教学难点
1、稳压电路工作原理。
2、并联型稳压电路的缺点及解决办法
教案说明
该课题内容不是很难理解，一体化教学，需要一个长期的实施过程，要求学生们养成良好的安全意识。
理论教学6节，操作12节，整个教学期间时刻提醒安全注意事项。
教学设计
1．组织教学
1．组织教学8′
2．复习旧课20′
3．引入新课20′
4．讲授新课、模仿练习632′
5．归纳总结30′
6．布置作业10′
7．板书设计
课题一可调直流稳压电源的安装、调试及测量
【理论讲解】
旧课复习：
1、555定时器的工作原理及应用
新课引入：
[举例手机充电器、电源线]
老师：
这个电子产品在我们的生活很常见，他的作用是什么呢？
学生：
给手机供电
老师：
它的插头首先要接到什么地方才能工作呢？
学生：
市电插座上
老师：
市电插座提供的是什么电？
电压多大？
学生：
是220V交流电
老师：
随身听在携带时用两节干电池供电，说明它的工作电压是多少伏？
是什么样的电流呢？
交流还是直流？
学生：
3伏直流电
老师：
那么这个随身听电源它为了给随身听供电，输出的电流是什么样的电流？
学生：
直流电
老师：
电压呢？
有没有220V那么高
学生：
比较小（老师补充：
而且充电电压要很稳定，否则会损伤随身听）
老师：
通过刚才的思考，大家明白了随身听电源的功能是什么呢？
是把市电的220V交流电转换成稳定的电压较小的直流电进行输出！
正课内容：
一、引言
整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。
滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。
稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。
直流电源的方框图如图10.1.1所示。
如图10.1.1
二、单相桥式整流电路
1.工作原理
单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，其电路如图10.1.2所示。
图10.1.2单相桥式整流电路
（a）整流电路（b）波形图
在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。
根据图10.1.2（a）的电路图可知：
当正半周时二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。
当负半周时二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。
在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。
单相桥式整流电路的波形图见图10.1.2（b）。
2.参数计算
根据图10.1.2（b）可知，输出电压是单相脉动电压。
通常用它的平均值与直流电压等效。
输出平均电压为
流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析。
此时谐波分量中的二次谐波幅度最大，最低次谐波的幅值与平均值的比值称为脉动系数S。
3.单相桥式整流电路的负载特性曲线
单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲线该曲线如图10.1.3所示。
曲线的斜率代表了整流电路的内阻。
图10.1.3负载特性曲线
三、单相半波整流电路
单相整流电路除桥式整流电路外，还有单相半波和全波两种形式。
单相半波整流电路如图10.1.4（a）所示，波形图如图10.1.4（b）所示。
图10.1.4单相半波整流电路
（a）电路图（b）波形图
根据图10.1.4可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。
负载上输出平均电压为
流过负载和二极管的平均电流为
四、单相全波整流电路
单相全波整流电路如图10.1.5（a）所示，波形图如图10.1.5（b）所示。
图10.1.5单相全波整流电路
（a）电路图（b）波形图
根据图10.1.5（b）可知，全波整流电路的输出，与桥式整流电路的输出相同。
输出平均电压为
单相全波整流电路的脉动系数S与单相桥式整流电路相同。
单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。
所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样的功率容量条件下，体积可以小一些。
单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。
注意：
整流电路中的二极管是作为开关运用的。
整流电路既有交流量，又有直流量，通常对:
输入（交流）—用有效值或最大值；
输出（交直流）—用平均值；
整流管正向电流—用平均值；
整流管反向电压—用最大值。
10.2滤波电路
一、电容滤波电路
1.电容滤波电路
1）滤波的基本概念
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，所以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。
经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。
2）电容滤波电路
现以单相桥式电容滤波整流电路为例来说明。
电容滤波电路如图15.06所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。
图10.2.1单相桥式电容滤波整流电路
3）滤波原理
若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。
此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2，是正弦形。
图10.2.1桥式整流、电容滤波
时的电压、电流波形
当v2到达90°时，v2开始下降。
先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载ＲL放电。
指数放电起始点的放电速率很大。
在刚过90°时，正弦曲线下降的速率很慢。
所以刚过90°时二极管仍然导通。
在超过90°后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。
所以，在t1到t2时刻，二极管导电，Ｃ充电，vC=vL按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。
电容滤波过程见上图10.2.1。
图10.2.2RLC不同时VO的波形
需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，
二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线3；反之，RLC减少时，导通角增加。
显然，当ＲL很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图10.2.2滤波曲线中的2。
反之，当ＲL很大，即IL很小时，尽管C较小,RLC仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。
所以电容滤波适合输出电流较小的场合。
4）电容滤波的计算
电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。
工程上有详细的曲线可供查阅。
一般常采用以下近似估算法：
一种是用锯齿波近似表示，即
另一种是在RLC=（35）T/2的条件下，近似认为VL=VO=1.2V2。
（或者，电容滤波要获得较好的效果，工程上也通常应满足RLC≥6~10。
）
5）外特性
整流滤波电路中，输出直流电压VL随负载电流IO的变化关系曲线如图10.2.3所示。
图10.2.3纯电阻和电容滤波电路的输出特性
二、电感滤波电路
利用储能元件电感器Ｌ的电流不能突变的性质，把电感Ｌ与整流电路的负载ＲL相串联，也可以起到滤波的作用。
电感滤波电路如图10.2.3所示。
电感滤波的波形图如图10.2.4所示。
图10.2.3电感滤波电路图10.2.4电感滤波的波形图
当v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。
当负半周时，
电感中的电流将经由D2、D4提供。
因桥式电路的对称性，和电感中电流的
连续性，四个二极管D1、D3；D2、D4的导通角都是180°。
【实操训练】
一、可调直流稳压电源电路
（一）实训目的
1.输入电压为220VAC输出为直流电压
2.电压变化范围：
1.8~17V
3.连续可调
（二）器件清单
名称及参数
数量
单价（元）
IN4007
10
0.1
4148
5
0.1
1000U/16V
4
0.3
470U/16V
4
0.2
10U/16V
4
0.1
103P
4
0.1
4k7/0.25W电阻
5
0.1
100/0.25W电阻
5
0.1
510/0.25W电阻
5
0.1
1k/0.25W电阻
1
0.1
5MM绿普亮
2
0.1
LM317
2
0.8
12V/3W变压器
2
4
（三）电路图原理分析
元件性能分析
①.色环电阻
电阻值计算示意图下如图所示：
棕
红
橙
黄
绿
兰
紫
灰
白
黑
金
银
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
5%
10%
②桥式整流器
原理图：
桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路。
用来将交流电转变成直流电。
桥式整流器利用四个二极管，两两对接。
输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。
桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。
桥式整流器是由多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘朔料封装而成，大功率桥式整流器在绝缘层外添加金属壳包封，增强散热。
桥式整流器品种多，性能优良，整流效率高，稳定性好，最大整流电流从0.5A到50A，最高反向峰值电压从50V到1000V。
③电解电容
电解电容是电容的一种，介质有电解液，涂层有极性，分正负，不可接错。
电容（Electriccapacity），由两个金属极，中间夹有绝缘材料（介质）构成
有极性电解电容器通常在电源电路或中频、低频电路中起电源滤波、退耦、信号耦合及时间常数设定、隔直流等作用。
一般不能用于交流电源电路，在直流电源电路中作滤波电容使用时，其阳极（正极）应与电源电压的正极端相连接，阴极（负极）与电源电压的负极端相连接，不能接反，否则会损坏电容器。
④瓷片电容
陶瓷电容无极性。
陶瓷电容的容量一般较小，用于信号源滤波，可用于消除高频干扰
⑤LM317三端正电压稳压器
lm317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流，此稳压器非常易于使用。
LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。
稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo＝1.25（1＋R2/R1）。
仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。
然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。
首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo＝1.25V—37V（高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo＝1.25V—45V），所以R2/R1的比值范围只能是0—28.6。
其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。
最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。
由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5mA。
当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。
当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时，317稳压块就可以输出稳定的直流电压。
如果用317稳压块制作稳压电源时（如图所示），没有注意317稳压块的最小稳定工作电流，那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象：
稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。
在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。
⑶可调式直流稳压电源整体电路分析
1整体电路图
2整流电路
本设计采用单相桥式整流电路（桥堆KBP307）。
其由四只二极管组成，其构成原则就是保证在变压器副边电压u：
的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。
为达到这一目的，需要在Uz的正、负半周内正确引导流向负载的电流，使其方向不变，设变压器副边两端分别为a和b，则a为“+”b为“一”时应有电流流出a点，a为“一”b为“+”时应有电流流入a点；相反，a为“+”b为“一”时应有电流流入b点，因而a和b点均应接两只二极管，以引导电流，单相桥式整流电路+uoK如果桥式整流电路变压器副边中点接地，就应将两个负载电阻相连接且连接中点接地。
根据桥式整流电路的工作原理，当a点为“+”b点为“一”时，Dl、D3导通，D2、D4截止，U01一L12，U02一一U2；而当b点为“+”a点为“一”时，D2、D4导通，D1、D3截止，U01一一U2，U02一U2，这样两个负载上就分别获得正、负电压。
3滤波电路
经过整流后的直流电幅值变化很大，会影响电万方数据路的工作性能。
可利用电容的“通交流，隔直流”的特性，在电路中并人两个并联电容作为电容滤波器，滤去其中的交流成分。
电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端（即负载电阻两端）并联一个电容即构成电容滤波电路。
滤波电容容量较大，因此一般均采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正负极。
电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。
如果将两个滤波电容相连接，且连接点接地，就可同时得到输出电压平滑的正负电源。
在理想情况下，变压器副边无损耗，二极管导通电压为零，所以电容两端电压相等。
而当其上升到峰值后开始下降，电容便通过负载电阻放电，其电压也开始下降，趋势与电容两端电压基本相同。
4、实习报告要求
1、分别画出两个任务的电路原理图
2、完成电路板的焊接和调试
3、分别说明两个电路的工作原理
4、根据调试中出现的故障现象分析其原因
五、评分标准
内容
要求
配分
评分标准
说明
布局
各个元器件的布局清晰、美观、合理
10
工艺
走线清晰，线程短，无跳接线
10
焊点
1、焊点有足够的机械强度
2、焊接可靠，保证导电性能。
3、焊点表面整齐、美观：
焊点的外观应光滑、清洁、均匀、对称、整齐、美观、充满整个焊盘并与焊盘大小比例合适。
20
调试
60
六、归纳总结
通过这次电路设计，使学生从中了解了直流稳压电源和贯通了书上的知识，同时也了解到了自己对于理论和实际应用的统一和对于器件在实际中的使用还有很大的不足，不能在使用器件时选择合适的参数的器件，不能根据器件的编号知道器件的基本功能。
在这方面需要很大的提高。
在做的过程中也提升了学生的动手能力，实践能力得到了一定的锻炼，加深了对模拟电路设计方面的兴趣。
从开始的朦胧到后面得到的结果。
板书：
可调直流稳压电源的设计
一、直流稳压电源的概念
二、直流稳压电源的分类
1、并联型稳压电路
2、串联型稳压电路
三、简单的直流稳压电源及其工作原理
1、第一部分为变压器
2、第二部分为桥式整流电路
3、第三部分是一个电容器，为滤波电路。
4、第四部分为调整元件部分
四、并联型直流稳压电路的优缺点
五、串联型稳压电路简介
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