小型直流稳压电源讲解.docx

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小型直流稳压电源讲解

基于LM317的直流稳压电源

随着科技的发展，各种功能不一的电子设备已经渗透到社会和个人生活之中，并发挥着的极其重要的作用。

除一些动力或特殊设备外，多数电子设备是在直流电压下工作的。

考虑到交流电在发电、远距离传输等方面的优势，日常生活中最常见的电源是220V的民用交流电。

因此，需要一种将220V交流电转换为直流电的设备，并保证在一定的负载下，电压有较高的稳定度，这就是直流稳压电源。

其框图如下：

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。

1.整流电路

1.1半波整流电路

半波整流电路实际上利用了二极管的单向导电性。

当输入的交流电压处于正半周时，二极管正向导通，反之，则处于反向截止状态，使得输出端出现脉动直流电。

需要指出的是，二极管存在一定的导通电压，反向耐压值也是有限的，为方便讲述，本实验中未做深入。

理想状态下，半波整流电路与电压波形如下图所示：

通过上述分析可以得到半波整流电路的基本特点如下：

（1）半波整流输出的是一个直流脉动电压。

（2）半波整流电路的交流利用率为50%。

1.2桥式全波整流电路

桥式全波整流电路如下所示，有三种不同的表示方法，四只整流二极管连接成电桥形式，并在实际应用中得到了最为广泛的应用。

（a）

（b）

（c）

当变压器Tr的次级线圈处于正半周时，D1、D3导通，D2、D4截止，电流由Tr次级上端经D1→RL→D3回到Tr次级下端，在负载上得到一半波整流电压。

当变压器的次级线圈处于负半周时，D1、D3截止，D2、D4导通，电流由Tr次级的下端经D2→RL→D4回到Tr次级上端，在负载上得到另一半波整流电压。

由此，可得到下列电压波形：

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：

负载上的平均电流为：

二极管上流过的平均电流：

二极管上最大反向电压：

通过上述分析，可以得到桥式整流电路的基本特点如下：

（1）桥式整流输出的是一个直流脉动电压。

（2）桥式整流电路的交流利用率为100%。

（3）桥式整流电路二极管的负载电流仅为半波整流的一半。

2.电容滤波电路

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，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，改善了直流电压的质量。

电感器L需要大量的有色金属，价格、体积和重量均比较大。

因此，几乎所有的滤波电路都采用了电容C。

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。

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。

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。

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。

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：

更简单的方法：

3.LM317稳压集成电路

LM317是可调节的3端正电压稳压器，输出电压范围为1.2~37V，能够提供超过1.5A的电流，使用非常方便，只需要两个外接电阻既可以设置输出电压。

该集成电路内部有限流器、热关断和安全工作区补偿模块。

通过调整外接电阻值，可以连续输出各种不同的电压，常被用作精密稳压电源。

其特点如下：

（1）输出电流可达1.5A；

（2）输出电压可在1.5V和37V之间任意调节；

（3）内部热过载保护；

（4）不随温度变化的内部短路电流限制；

（5）输出晶体管安全工作区补偿。

LM317结构图与引脚图如下：

LM317有29个晶体管，内部结构图如下：

4.基于LM317的桥式整流滤波稳压电源

原理图：

需要注意的是，J1为变压器次级线圈电压输入端，其交流电压有效值不应超过25V，输入与输出端电压差不能太大，以免LM317上功耗过高。

经全波整流后，C1做滤波电容，输入至LM317，经过10K可调电阻W1的调整，2脚输出直流稳压电源，D5为保护二极管，防止输出端因特殊情况使得C3电压过高倒灌至输入端。

元件清单：

序号

名称

参数

位号

1

CBB电容

0.1UF

C4

2

精密可调电阻

10K

W1

3

电解电容

22UF/35V

C2

4

电解电容

220UF/35V

C3

5

电阻

510

R1

6

电解电容

2200UF/35V

C1

7

接线座

CON2

J1（入）

8

接线座

CON2

J2（出）

9

二极管

IN4007

D1—D5

10

稳压块

LM317

U1

11

电路板

约65X44mm

12

散热片和螺钉

30X25X30mm

13

变压器

次级15V

5.电烙铁的使用与维护

电烙铁是本实验操作使用的主要工具。

焊接质量的好坏，直接影响电源制作成功的与否。

本部分内容讲述电烙铁的相关使用与维护常识，并注意在实验焊接之前进行本部分内容讲述，待学生较为熟练后即开始正式焊接。

5.1电烙铁的种类

（1）外热式。

由烙铁头、烙铁、外壳、木柄、电源引线、插头等部分组成。

由于烙铁头安装在烙铁芯里面，称为外热式电烙铁。

烙铁芯是电烙铁的关键部件，它是将电热丝平等地绕制在一根空心瓷管上构成，中间的云母片绝缘，并引出两根导线与220V交流电源连接。

烙铁头是有紫铜材料制成的，它的作用是储存热量和传导热量，它的温度必须比被焊接的温度高很多。

烙芯的温度与烙铁芯头的体积、形状、长短等都有一定的关系。

当烙铁头的体积比较大时，则保持时间就长些。

另外，为适应不同焊接物的要求，烙铁头的形状有不同，常见的有锥形、凿形、圆斜面形等等。

（2）内热式。

由于烙铁芯安装在烙铁头里面，因而发热快热利用率高，因此，称为内热式电烙铁。

内热式电烙铁的常规格为20W，50W几种。

由于它的热效率高，20W内热式电烙铁就相当于40W左右的外热式电烙铁。

由于内热式电烙铁有升温快、重量轻、耗电省、体积小、热效率高的特点，因而得到了普通的应用。

（3）恒温式。

由于恒温电烙铁头内，装有带磁铁式的温度控制器，控制通电时间而实现温控，即给电烙铁通电时，烙铁的温度上升，当达到预定温度时，因强磁体传感器达到居里点而磁性消失，从而使磁芯触点断开，这时便停止向电烙铁供电；当温度低于强磁体传感器的居里点时，强磁体便恢复磁性，并吸动磁芯开关中的永久磁铁，使控制开头的触点接通，继续向电烙铁供电。

如此循环往复，便达到了控制温度的目的。

电烙铁的种类及规格有很多种，而且被焊工件的大小又有所不同，因而合理地选用电烙铁的功率及种类，对提高焊接质量和效率有直接的关系。

选用电烙铁时，可以从以下几个方面进行考虑：

焊接集成电路、晶体管及受热易损元器件时，应选用20W内热式或25W的外热式电烙铁。

焊接导线及同轴电缆时，应先用45W-75W外热式电烙铁，或50W内热式电烙铁。

焊接较大的元器件时，如行输出变压器的引线脚、大电解电容器的引线脚，金属底盘接地焊片等，应选用100W以上的电烙铁。

5.2电烙铁的使用要求

（1）新烙铁在使用前的处理。

一把新烙铁不能拿来就用，必须先对烙铁头进行处理后用锉把烙铁头按需要锉成一定形状才正常使用，就是说在使用前先给烙铁头镀上一层焊锡。

具体的方法是：

首先用锉把烙铁头按需要锉成一定的形状，然后接上电源，当烙铁头温度升至能熔锡时，将松香涂在烙铁头上，等松香冒烟后再涂上一层焊锡，如此进行二至三次。

若烙铁头的刃面及周围产生一层氧化层，将产生“吃锡”困难的现象，此时可用清洁海绵洗去氧化层，重新镀上焊锡。

（2）烙铁头长度的高速也可以达到温度调节的目的，烙铁头越长，温度越低，烙铁头越短，温度越高，焊接成电路与晶体管时，烙铁头的温度就不能太高，且时间不能过长，此时便可将烙铁头插在烙铁芯上的长度进行适当的调整，进而控制烙铁头的温度。

（3）烙铁头有直头和弯头两种，直烙铁头的电烙铁使用起来比较灵活，适合在元器件较多的电路中进行焊接。

弯烙铁头的电烙铁合，多用于线路板垂直桌面情况下的焊接。

（4）电烙铁不易长时间通电而不使用，因为这样容易使电烙铁芯加速氧化而烧断，甚至被烧“死”不再“吃锡”。

（5）更换烙铁芯时要注意引线不要接错，因为电烙铁有三个接线柱，而其中一个是接地的，另外两个是接烙铁芯两根引线的（这两个接线柱通过电源线，直接与220V交流电源相接）。

如果将220V交流电源线错接到接地线的接线柱上，则电烙铁外壳就要带电，被焊件也要带电，这样就会发生触电事故。

（6）烙铁在焊接时，最好选用松香焊剂，以保护烙铁头不被腐蚀。

烙铁应放在烙铁架上。

应轻拿轻放，决不要将烙铁上的锡乱抛。

5.3电烙铁的基本操作步骤

准备施焊右手拿烙铁，处于随时可施焊状态。

加热焊件应注意加热整个焊件全体

送入焊丝

移开焊丝当焊丝熔化一定量后，立即移开焊丝。

移开烙铁焊锡浸润焊盘或焊件的施焊部位后，移开烙铁。

对于小热容量焊件而言，上述整个过程不过2S-4S时间，各个步骤间的间隔、时序的准确掌握以及动作协调熟练等方面，都有应该准确掌握。

可以用数数的办法控制时间，即烙铁接触焊点后数一、二（约2S），送入焊丝后数三、四即移开烙铁。

焊丝熔化量要靠观察决定，这个办法可以参考。

但显然由于烙铁功率，焊点热容量的差别等因素，实际掌握焊接火候，具体问题具体对待。

几个需要注意的地方：

（1）焊接加热挥发出的化学物质对人体是有害的，如果操作时鼻子距离烙铁太近，则很容易将有害气体吸入，一般烙铁与算子的距离应至少不少于20CM，通常以30CM为宜。

（2）因为焊接时烙铁头长处于高温状态，又接触焊剂等杂质，其表面很容易氧化并沾上一层黑色杂质，这些杂质几乎形成隔热层，使烙铁头失去加热作用。

因此，要随时在烙铁架上蹭去杂质。

用一块湿布或湿海棉随时擦拭烙铁头，也是常用方法。

（3）要靠增加接触面积加快传热，而不要用烙铁对焊件加力。

有人似乎为了焊得快一些，在加热时用烙铁头对焊件加压，这是徒劳无益而危害不小的。

它不但加速了烙铁头的损耗，而且更严惩的是对元器件造成损坏或不易觉察的隐患。

正确办法应该根据焊件开头选用不同的烙铁头，或自己修整烙铁头，让烙铁头与焊件形成面接触而不是点或线接触，这就能大大提高效率。

（4）过量的焊锡不但毫无必要的消耗了较贵的锡，而且增加了焊接时间，相应降低了工作速度。

更为严惩的是在高密度的电路中，过量的锡很容易造成不易觉察的短路。

但焊锡过少不能形成牢固的结合，同样也是不允许的，特别是在板上焊导线时，焊锡不足往往造成导线脱落。

（5）有人习惯用烙铁沾上焊锡去焊接，这样很容易造成焊料的氧化，焊剂的挥发，因为烙铁头温度一般都在300℃左右，焊锡丝中的焊剂在高温下容易分解失效。

在高度、维修工作中，不得已用烙铁焊接时，动作要迅速、敏捷，防止氧化造成劣质焊点。

5.4电烙铁的维护与保养

（1）不发热。

用万用表的欧姆档测量插头的两端，如果表针不动，说明有断路故障。

当插头本身没有断路故障时，即可卸下胶木柄，再用万用表测量烙铁芯的两根引线，如果表针仍不动，说明烙铁芯损坏，应更换新的烙铁芯。

更换烙铁芯的方法是：

将固定烙铁芯引线螺丝松开，将引线卸下，把烙铁从连接杆中取出，然后将新的同规格烙铁芯插入连接杆，将引线固定在螺丝上，并注意将烙铁芯多余引线头剪掉，以防止两根引线短路。

（2）烙铁头带电。

烙铁带电除前边所述的电源线错接在接地线的连接杆上的原因外，还有就是，当电源线从烙铁芯接线螺丝上脱落后，又碰到了接地线的螺丝上，从而造成烙铁头带电。

这种故障最容易造成触电事故，并损坏器件，因此，要随时检查压线螺丝是否松动或丢失。

（3）烙铁头不吃锡。

烙铁头经长时间使用后，并会因氧化而不沾锡，这就是“烧死”现象，也称作不“吃锡”。

当出现不“吃锡”的情况时，可用细砂纸将烙铁头重新打磨，然后重新镀上焊锡就可继续使用。

（4）基本保养。

（a）经常用湿布、浸水海绵擦拭烙铁头，以保持烙铁头良好的挂锡，并可防止残留助焊剂对烙铁头的腐蚀。

（b）进行焊接时，应采用松香或弱酸性助焊剂。

（c）焊接完毕时，烙铁头上的残留焊锡应该继续保留，以防止再次加热时出现氧化层。

5.5焊点缺陷与分析

焊点缺陷

外观特点

危害

原因分析

焊料过多

焊半面呈现凸形

浪费焊料,且可能包

藏缺陷

焊丝撤离过迟

松动

导线或元器件引线可

移动

导通不良或不导通

1.焊锡未凝固前引线移动造成空隙

拉尖

出现尖端

外观不佳,容易造成

桥接现象

1.助焊剂过少,而加热时间过长

2.烙铁撤离角度不当

焊料过少

焊料未形成平滑面

机械强度不足

焊丝撤离过早

松得焊

焊缝中夹有松香渣

强度不足,导通不良,

有可能时通时断

1.加焊剂过多,或已失效

2.焊接时间不足,加热不足

3.表面氧化层未去除

过热

焊点发白,无金属光泽,

表面较粗糙

焊盘容易剥落,强度

降低

烙铁功率过大,加热时间过长

冷焊

表面呈豆腐渣状颗粒,

有时可有裂纹

强度低,导电性不好

焊料未凝固前焊件抖动或烙铁瓦数不够

浸润不良

焊料与焊件交接面接

触角过大,不平滑

强度低,不通或时通

时断

1.焊件清理不干净

2.助焊剂不足或质量差

3.焊件未充分加热

不对称

焊锡夹流满焊盘

强度不足

1.焊料流动性不好

2.助焊剂不足或质量差

3.加热不足

桥接

相邻线连接

电气短路

1.焊锡过多

2.烙铁撤离方向不当

针孔

目测或低倍放大镜可见有孔

强度不足,焊点容

易腐蚀

焊盘孔与引线间隙太大

气泡

引线根部有时有喷火式焊料隆起,内部藏有空洞

暂时导通,但长时

间容易引起导通

不良

引线与孔间隙过大或引

线浸润性不良