任务一 电子系统直流电源设计与制作

项目1 基于变压器的电子系统直流电源设计与制作

1.1 任务与要求

任务：

设计并制作一个可以同时输出多组电压的直流稳压电源。

基本要求：

使用市电（220V/50Hz）作为直流稳压电源的供电。

直流稳压电源可以稳定地输出两组电压：+5V和-5V，误差不超过5%。

每组输出电压的纹波系数小于-40dB。

输出电流不小于1A。

1.2 项目方案

根据本项目的基本要求分析，可以看出本项目至少需要以下功能模块：

交流—直流变换功能模块。

稳压功能模块。

滤除纹波功能模块。

降压功能模块。

1.3 项目设计

根据项目方案选取相应的元器件和设备来完成系统的功能设计。在设计前，要充分了解元器件和设备的理论知识。设计完成后，还要通过软件仿真来验证设计的正确性。

1.3.1 变压器（Transformer）

1.简介

变压器是利用电磁感应原理来改变交流电压的装置，主要构件是绕组和铁心（磁心），如图1-1所示。

铁心是变压器中主要的磁路部分。通常由含硅量较高、表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。铁心分为铁心柱和横片两部分，铁心柱套有绕组；横片是用来闭合磁路的。

绕组是变压器的电路部分，由双丝包绝缘扁线或漆包圆线绕成。

一般把连接交流电源的绕组称为“一次绕组”；而跨于此绕组的电压称为“一次电压”。其余的绕组叫二次绕组。

当一次绕组中通有交流电流时，铁心中便产生交流磁通，使二次绕组中感应出电压。二次绕组中的感应电压可能大于、小于或等于一次电压，它是由一次绕组与二次绕组间的“匝数比（N）”所决定的。而理想变压器的“匝数比（N）”与一次绕组和二次绕组电感值的关系如下：

实际使用的变压器种类很多，分类方法也有多种。图1-2所示的是常见的变压器。

在电气设备和无线电路中，变压器的常用功能是升降电压、匹配阻抗、安全隔离等。

2.参数选取

不同种类的变压器有着与之对应的技术要求和相应的技术参数。电源变压器的主要技术参数包括额定功率、额定电压和电压比、额定频率、工作温度等级、温升、电压调整率、绝缘性能和防潮性能等。

根据项目基本要求和方案分析，本项目变压器及其参数选择如下：

本项目应选用降压变压器。

由于同时输出正、负电压，应选用二次绕组为三端输出的变压器，其中间输出端作为参考地。

考虑到电路中的损耗及其他因素，经过降压处理的交流电的有效值应大于最终电压输出值。对于市面上比较常见的变压器，其二次绕组输出的交流电压有效值比较常见的为9V或12V，此时变压器的匝数比约为25或18。

变压器的额定功率应不小于10W（5×1+5×1=10W）。

对于其他参数要求，一般市面上出售的变压器都能满足。

3.参数验证

为了验证设计的可行性和参数的正确性，往往需要进行软件仿真，其结果对实际设计有一定的指导意义，但不能取代实际设计。

在本书中，主要使用Proteus软件进行仿真。

1）添加待用元器件

打开Proteus软件，新建设计后，在如图1-3 所示元器件区内添加本设计所需要使用的元器件。此时，单击图1-3所示的“P”按钮，即可打开Proteus的元器件库。

在本项目中，使用市电（220V/50Hz）作为供电，所以需要添加一个交流电源。在Proteus中，“Simulator Primitives”库里包含模拟的电源与信号源。在其中选取“ALTERNATOR”，即交流发电机，如图1-4 所示。用鼠标左键双击“ALTERNATOR”，将其添加到元器件区。

此时，在图1-3所示的元器件区就可以看到新增加的“ALTERNATOR”（交流发电机）了。

如果不知道元器件所属的元器件库，则可以通过关键字（Keywords）搜索获得。对于本项目中的变压器，在打开的元器件库对话框的“Keywords”文本框中输入“Transformer”，此时就可以找到变压器所在的库“Inductors”。

在“Inductors”库中，提供了多种变压器，本项目选取“TRAN-2P3S”变压器，如图1-5所示。

“TRAN-2P3S”变压器的英文描述为“Transformer with centre tapped secondary winding”，即二次绕组有中间抽头的变压器，符合本项目的要求。

用鼠标左键双击“TRAN-2P3S”，将其添加到元器件区。

2）放置元器件与元器件属性设置

在添加了元器件后，就可以在电路原理图中放置元器件了。表1-1 列出了Proteus中放置元器件的基本操作。

（1）放置交流发电机，如图1-6所示。放置完成后，打开交流发电机属性设置对话框，如图1-7所示。

我国的市电电压有效值为220V，频率为50Hz，其波形为正弦波。从图1-7 中可以看出，本项目需要设置的属性是“Amplitude”（幅值）和“Frequency”（频率）。

可以毫不犹豫地把“Frequency”（频率）设置为50Hz。那么，“Amplitude”（幅值）该怎么设置呢？

根据以前所学的知识可以知道，对于正弦波来说，幅值与有效值之间的关系如下：

由此可以计算出市电电压的幅值：

因此，将交流发电机的”Amplitude”（幅值）属性设置为311V。

（2）放置变压器TRAN-2P3S，如图1-8所示。

打开变压器TRAN-2P3S属性设置对话框，如图1-9所示。从图1-9中可以看出，变压器TRAN-2P3S的属性包括“Primary Inductance”（一次绕组电感）、“Total Secondary Inductance”（二次绕组总电感）、“Coupling Factor”（耦合系数）、“Primary DC resistance”（一次直流电阻）和“Secondary DC resistance”（二次直流电阻）。

在本项目中，变压器一次绕组和二次绕组的匝数比为25。此时，变压器二次绕组输出的交流电压有效值约为9V。一次绕组和二次绕组的电感值的比为625。一次绕组的电感值默认值为1H，可以不作修改。这样，只需要将二次绕组的电感值设置为0．0016H。

但是，由于使用的是三段抽头电感器，其二次绕组是由两个参数完全相同的绕组串联构成的。因此，这两个绕组的电感值应该为0．0008H。据此，可以设置好变压器的属性。

（3）为了观察电压波形，还需要放置示波器，如图1-10所示。

3）电气连接

元器件放置完成后，就可以进行电气连接了，如图1-11所示。

4）参数记录与比较

在电气连接完成后，可以打开虚拟开关进行电路仿真了。此时，在虚拟示波器上可以看到各个信号的波形，如图1-12所示。

请将各个信号的参数记录在表1-2中，并计算一次电压和二次电压之间的比值。

1.3.2 半导体与晶体二极管（Diode）

在本项目中，需要交流—直流变换功能模块和稳压功能模块。这两个功能模块同半导体技术紧密相关。

半导体（Semiconductor）是指常温下导电性能介于导体（Conductor）与绝缘体（Insulator）之间的材料。按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。其中锗（Germanium，Ge）和硅（Silicon，Si）是最常用的元素半导体。

化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物（硫化镉、硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物），以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。

除了上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

1.本征半导体

完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。

硅或锗的原子结构和共价键结构如图1-13 所示。可以看出，共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。

随着温度的升高，半导体材料中的束缚电子脱离共价键成为自由电子，在原来的位置留有一个空位，此空位称为空穴，这种现象被称为本征激发。空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。在本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同，如图1-14所示。

如图1-15所示，空穴（位置1）出现以后，邻近的束缚电子（位置2）可能获取足够的能量来填补这个空穴，而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空穴，另一个束缚电子（位置3）又会填补这个新的空位，这样就形成束缚电子填补空穴的运动。为了区别自由电子的运动，将其称为空穴运动。

综上所述，可以得出如下结论。

半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。

在本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。

一定温度下，本征半导体中自由电子和空穴对的产生与复合相对平衡，数目相对稳定。

温度升高，激发的自由电子和空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。

2.杂质半导体

在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能发生显著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。

1）N型半导体

在硅或锗半导体中掺入微量的五价元素，如磷（P）、砷（As）等，则构成N型半导体。

五价的元素具有五个价电子，在与相邻的硅或锗原子组成共价键时，因为多一个价电子不受共价键的束缚，很容易成为自由电子，所以半导体中自由电子的数目大量增加。自由电子参与导电移动后，在原来的位置留下一个不能移动的正离子，但与此同时没有相应的空穴产生，半导体仍然呈现电中性，如图1-16 所示。这种能提供电子载流子的杂质称为施主杂质。

N型半导体中，自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子）。N型半导体主要靠自由电子导电。

2）P型半导体

在硅或锗半导体中掺入微量的三价元素，如硼（B）、铟（In）等，则构成P型半导体。

三价的元素只有三个价电子，在与相邻的硅或锗原子组成共价键时，由于缺少一个价电子，因此在晶体中便产生一个空位。如果邻近的束缚电子获取足够的能量，则有可能填补这个空位，使原子成为一个不能移动的负离子，但与此同时没有相应的自由电子产生，半导体仍然呈现电中性，如图1-17所示。这种能提供空穴的杂质称为受主杂质。

P型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）。P型半导体主要靠空穴导电。

3.PN结及其单向导电性

P型半导体与N型半导体相互接触时，其交界区域称为PN结。

1）PN结的形成

当P型半导体与N型半导体相互接触时，多数载流子因浓度上的差异（P区中的自由空穴和N区中的自由电子）要向对方区域扩散，这种运动称为扩散运动，如图1-18所示。

由于空穴和自由电子均是带电的粒子，因此扩散的结果导致了P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，此离子层称为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1-19所示。

在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此空间电荷区又称为耗尽层。

在空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内电场可以推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。

少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。

无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。

2）PN结的单向导电性

如果在PN结两端加上不同极性的电压，PN结就会呈现出不同的导电性能。按照图1-20所示在Proteus中绘制电路原理图，并把仿真测试的结果记录在表1-3中。

在图1-20 中，使用了12V的灯泡LAMP和晶体二极管DIODE。晶体二极管的基本构造就是PN结。

在完成表1-3 后，可以看出：LAMP1 所在支路与LAMP2 所在支路测试结果比较接近，而与LAMP3 所在支路有很大差距。LAMP2 和LAMP3 所在支路所使用的元器件是相同的，唯一的不同就是D1和D2两个二极管的连接方法。

（1）PN结外加正向电压。PN结的P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏，如图1-21所示。

（2）PN结外加反向电压。PN结的P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏，如图1-22所示。

人们把PN结正偏和反偏所表现出来的不同特性归纳为PN结的单向导电性，即PN结外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。

4.晶体二极管（Diode）

晶体二极管简称为二极管，其基本构造就是PN结，是一种具有单向导电性的器件。

图1-23所示为二极管的符号。由P端引出的电极是正极，由N端引出的电极是负极，箭头的方向表示正向电流的方向，VD是二极管的文字符号。

1）二极管的分类

二极管是诞生最早的半导体器件之一，其结构和种类非常多，应用也非常广泛。图1-24所示为常见二极管实物图。

根据二极管的结构特点，可以把二极管分为点接触型、面接触型和平面型三大类，如图1-25所示。

按照应用的不同，又分为整流二极管、检波二极管、开关二极管、稳压二极管、发光二极管、光敏二极管、快恢复二极管和变容二极管等。

2）二极管的伏安特性

二极管两端的电压 U 及其流过二极管的电流 I 之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性曲线。典型的二极管伏安特性曲线如图1-26所示。

（1）二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。从图1-26 中可以看出：

当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。

当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，又称“死区电压”，锗管约为0．1V，硅管约为0．5V）以后，二极管才能直正导通。

导通后，二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0．3V，硅管约为0．7V），称为二极管的“正向压降”，有些文献上将其称为二极管或PN结的“钳位”特性。

（2）二极管外加反向电压时，电流和电压的关系称为二极管的反向特性。从图1-26 中可以看出：二极管外加反向电压时，反向电流很小（I≈-IS），而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，此电流值称为二极管的反向饱和电流。

（3）从图1-26 中可以看出，当反向电压的值增大到 UBR时，反向电压值稍有增大，反向电流会急剧增大，此现象称为反向击穿，UBR为反向击穿电压。

常见的反向击穿机制主要有齐纳击穿和雪崩击穿。一般认为反向击穿电压小于6V的是齐纳击穿。

注意：利用二极管的反向击穿特性，可以做成稳压二极管，但是一般的二极管不允许工作在反向击穿区。

3）二极管的温度特性

二极管是对温度非常敏感的器件。实验表明：

温度升高，二极管的正向压降会减小，正向伏安特性左移，即二极管的正向压降具有负的温度系数（约为-2mV/℃）。

温度升高，反向饱和电流会增大，反向伏安特性下移，温度每升高10℃，反向电流大约增加一倍。

图1-27所示为温度对二极管伏安特性的影响。

4）二极管的主要参数

最大整流电流 IF：二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。

反向击穿电压UBR：二极管反向击穿时的电压值。

反向饱和电流 IS：二极管没有击穿时的反向电流值。其值越小，说明二极管的单向导电性越好。

5.特殊功能二极管

1）稳压二极管（Zener Diode）

稳压二极管又称为齐纳二极管，是一种用特殊工艺制作的面接触型硅半导体二极管。这种二极管的杂质浓度比较大，容易发生击穿，其击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化，从而达到稳压的目的。稳压二极管工作于反向击穿区。

稳压二极管的伏安特性和符号如图1-28所示。稳压二极管的主要参数有如下：

稳定电压UZ：稳压二极管中的电流为规定值时，在其两端产生的稳定电压值。

稳定电流IZ：稳压二极管工作在稳压状态时流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大稳定电流IZmax之分。

耗散功率PM：正常工作时，稳压二极管上允许的最大耗散功率。

使用稳压二极管时的注意事项如下：

稳压时，一定要外加反向电压，保证其工作在反向击穿区。当外加的反向电压值大于或等于 UZ时，才能起到稳压作用；若外加的电压值小于 UZ，稳压二极管相当于普通的二极管。

在稳压二极管稳压电路中，一定要配合使用限流电阻器，保证稳压管中流过的电流在规定的范围之内。

2）发光二极管（Light-Emittig Diode）

发光二极管是一种光发射器件，英文缩写是LED，通常由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）等元素的化合物制成。当发光二极管正向导通且导通电流足够大时，能把电能直接转换为光能，从而发出光来。

目前发光二极管的颜色有红、黄、橙、绿、白和蓝6 种，所发光的颜色主要取决于制作二极管的材料。例如，用砷化镓发出红光；用磷化镓发出绿光。其中，白色发光二极管是新型产品，主要应用在手机背光灯、液晶显示器背光灯、照明等领域。

发光二极管工作时的导通电压比普通二极管大，其工作电压随材料的不同而不同，一般为1．7～3．4V。普通绿、黄、红、橙色发光二极管工作电压约为2V；白色发光二极管的工作电压通常高于2．4V；蓝色发光二极管的工作电压一般高于3．3V。发光二极管的工作电流范围一般在2～25mA。

发光二极管应用非常广泛，常用于各种电子设备，如仪器仪表、计算机、电视机等的电源指示灯和信号指示等，还可以做成七段数码显示器等。发光二极管的外形和符号如图1-29所示。

3）变容二极管

图1-30 所示为变容二极管的符号。它是利用PN结的电容效应进行工作的，工作在反向偏置状态，当外加的反偏电压变化时，其电容量也随着改变。

4）光敏二极管

光敏二极管又称为光电二极管，是一种光接受器件，其PN结工作在反偏状态，可以将光能转换为电能，实现光电转换。图1-31所示为光敏二极管的基本电路和符号。

5）激光二极管

在发光二极管的PN结间安置一层具有光活性的半导体，构成一个光谐振腔，这种二极管称为激光二极管。工作时接正向电压，可发射出激光。

激光二极管的应用非常广泛，在计算机的光盘驱动器、激光打印机中的打印头、激光唱片机、激光影碟机中都有激光二极管。

1.3.3 二极管的典型应用

二极管可以用做整流、检波、开关、稳压等，下面介绍二极管的典型应用。

1.单相桥式整流电路

整流电路利用二极管的单向导电特性，将正负交替的正弦交流电压变换成单方向的脉动电压。在小功率直流电源中，经常采用单相桥式整流电路。

1）工作原理

单相桥式整流电路由4个二极管组成，如图1-32所示。

在图1-32中，虚拟的示波器并不是实际电路所必需的，电阻RL1和RL2用来代表后级电路的负载。从图中可以看出：

示波器的A通道和C通道接在了变压器的输出端，即桥式整流电路的输入端。

示波器的B通道和D通道接在了桥式整流电路的输出端。

打开Proteus软件进行仿真，并将A、B、C、D 4个通道的波形绘制在图1-33到图1-36中。

将通道C波形与通道A波形，以及通道D波形与通道B波形进行对比，可以得到如下结论。

（1）在交流电压的正半周，D2、D4反偏截止，D1、D3正偏导通，电流经A→D1→RL1→RL2→D3→B形成通路，RL1和RL2上有电流，有电压。

（2）在交流电压的负半周，D1、D3反偏截止，D2、D4正偏导通，电流经B→D2→RL1→RL2→D4→A形成通路，RL1和RL2上有电流，有电压。

（3）在交流电压的整个周期中，负载RL1和RL2上都有电流和电压，并且方向一致。

2）整流用二极管参数选择

假设经变压器输出后的交流电压有效值为U（AB之间），则：

整流电路输出电压有效值（RL1与RL2两端）Uo=0．9U。

二极管承受的最高反向工作电压 。在本项目中，可以计算出二极管承受的最高反向工作电压。

通常允许电网电压有变动，所以实际选择整流二极管时，为了保证电路能够安全工作，二极管的参数必须满足上述要求。

在图1-32 所示的单相桥式整流电路中，使用了二极管1N4001。Proteus中二极管1N4001的描述如图1-37所示。

一般情况下，都需要查阅元器件的数据手册（Datasheet）来了解元器件的具体参数。1N4001 的生产厂商很多，以Fairchild（仙童）公司生产的1N4001 为例，其数据手册中有关1N4001的参数如图1-38所示。

从图1-38中可以看出，1N4001的URM为50V，高于12．73V，所以选择1N4001是符合参数要求的。

3）集成整流桥

图1-32 所示的单相桥式整流电路中使用了4 个二极管，当前市面上也存在集成的整流桥电路。图1-39所示为使用了集成整流桥的单相桥式整流电路。

对比图1-39和图1-32可以看出，集成整流桥的核心器件还是二极管。可以把集成整流桥看做是把4个二极管封装在一起的功能模块。

打开Proteus软件进行仿真，参照图1-33～图1-36绘制波形。

集成整流桥的参数选择方法和整流用二极管参数选择方法基本一致。

4）滤除纹波功能模块

从整流电路的输出波形看，它们的输出电压都含有较大的脉动成分，这远不能满足本项目的要求。因此需要采取措施，尽量降低输出电压中的脉动成分，同时还要尽量保留其中的直流成分，使输出电压更加平滑，接近直流电压。滤波电路即可完成此工作。

电容器和电感器是基本的滤波元件，主要利用电容器两端电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电阻器并联或将电感器与负载电阻器串联，即可达到平滑输出波形的目的。在本项目中，选择电容器作为滤波器件。

使用了电容器滤波的单相桥式整流电路如图1-40 所示。这里使用的是电解电容器。使用电解电容器时，一定要注意电解电容器的极性。

由于电容器的储能作用，会使得输出波形变得平滑，脉动成分降低，从而使输出电压的平均值增大。

由于时间常数τ=RLC，所以电容量的大小直接影响时间常数τ。在图1-40 中，C1 与C2的电容量取1μF是否合适？如果不合适，C1与C2取什么值比较合适呢？将C1与C2分别取1μF、10μF和100μF，分别在图1-41、图1-42 和图1-43 绘制出通道B和通道D的波形。

对比图1-41、图1-42和图1-43可以看出，时间常数τ=RLC越大，输出电压中脉动（纹波）成分越少，输出电压越来越接近直流电。

至此，交流—直流变换功能模块已基本完成。

2.稳压电路

在介绍特殊功能二极管时，介绍了稳压二极管，稳压二极管工作于反向击穿区。

1）稳压二极管的使用

稳压二极管的典型应用电路如图1-44所示。

在图1-44中选择了一款电压为5．1V的稳压二极管，电源电压为15V，电阻器R1的使用是为了保证D1能良好击穿。

但是，稳压二极管存在稳压效果不够理想、带负载能力较差等问题。所以，在实际使用中往往使用三端集成稳压芯片来进行稳压。

2）三端集成稳压芯片的使用

目前，市面上的最具代表性的三端集成稳压芯片为78XX系列和79XX系列。

78XX系列集成稳压芯片能够输出正电压，分别可输出5V、6V、8V、12V、15V、18V、24V七种电压。型号后面的两位数字表示输出电压的幅值。例如，7805型号的三端集成稳压芯片的输出电压为+5V；7812 型号的三端集成稳压芯片的输出电压为+12V。具体的输出电流要根据不同厂家的数据手册来确定。

79XX系列集成稳压芯片能够输出负电压，分别可输出-5V、-6V、-8V、-12V、-15V、-18V、-24V七种电压，型号后面的两位数字表示输出电压的幅值，与78XX系列集成稳压芯片类似。

一般来说，目前市面上的7805 集成稳压芯片和7905 集成稳压芯片都能满足本项目要求的电流输出能力和纹波系数要求。因此，可以直接使用7805 集成稳压芯片和7905 集成稳压芯片。

以德州仪器生产的7812 集成稳压芯片和7912 集成稳压芯片为例，介绍78XX系列和79XX系列集成稳压芯片的引脚定义，如图1-45 所示。78XX系列典型应用电路如图1-46所示。

3.工作状态指示电路

为了能直观地观察系统工作状态，所以需要设置工作状态指示电路。

当发光二极管正向导通，且导通电流足够大时，能把电能直接转换为光能，发出光来。据此，可以使用发光二极管来设计并制作工作状态指示电路。

对于普通的绿色、黄色和红色发光二极管，工作时导通电压约为1．7V，工作电流一般在10～20mA范围内。而本项目设计制作的直流稳压电源的电压绝对值为5V，根据二极管的“钳位”特性，是不可以直接将发光二极管接到电源上的。如果强行接入，则会造成发光二极管甚至于电源的损坏。

一般情况下，使用发光二极管时需要串入一个限流电阻器，如图1-47所示。

所需要串联电阻器的阻值大小视产品的规格、标准及所需要的亮度而定。

例如：普通发光二极管压降为1．7V，工作电流为10mA，电源电压为5V时，

式中，R为限流电阻器阻值；U为LED工作电压；U0为LED电压降；I为工作电流。

1.3.4 直流电源的设计

根据前面所学习的知识，以及图1-40、图1-46和图1-47可以完成直流电源的设计，同时将虚拟示波器接入电路，以便观察，如图1-48所示。

打开Proteus软件进行仿真，在图1-49中绘制出直流电源的输出波形。

1.4 项目制作

在直流稳压电源设计通过仿真验证无误后，就可以进入实物制作阶段了。根据图1-48所示，可以统计出本项目所需的元器件清单，如表1-4所示。

在本项目中，电路板可以是万能板，也可以是覆铜板。当使用覆铜板时，可以采用热转印法进行加工制作。

1.4.1 元器件识别与检测

正确识别与检测元器件，是项目制作的关键前提。

1.色环电阻器的识别与测量

电阻器是出现比较早的电子元件之一，从外观、材料、用途等方面都有了很大的发展，其分类方法也有很多种。在本书中，只介绍最常见的色环电阻器的识别与检测。

1）色环电阻器的识别

电子产品广泛采用色环电阻器，其优点是在装配、调试和修理过程中，不用拨动元件，即可在任意角度看清色环，读出阻值，使用方便。主要有4环和5环两种电阻器。

4环电阻器的底色一般为浅黄色，第1、2环分别代表阻值的前两位数；第3环代表10的幂；第4环代表误差。

5环电阻器的底色一般为浅蓝色，第1、2、3环分别代表阻值的前三位数；第4环代表10的幂；第5环代表误差。

色环电阻器的读数方法如图1-50所示。

需要注意的是，电阻器的阻值不是连续的。这是因为为了便于生产，同时考虑到能够满足实际使用的需要，国家规定了一系列数值作为产品的标准，这一系列值就是电阻器的标称系列值。

在我国，常见电阻器和电容器的标称系列值主要有E-24系列和E-96系列。

E-24系列适用于允差±5%的电阻器和电容器数值。

E-96系列适用于允差±1%的电阻器和电容器数值。

E-24系列标称值计算公式如下：

其中，M=0、1、2、3…23。

从式中可以看出，E-24系列的标称值是有基本值的，如表1-5所示。

E-96系列标称值计算公式如下：

其中，M=0、1、2、3…95。

从式中可以看出，E-96系列的标称值也是有基本值的，如表1-6所示。

2）电阻器的测量

将万用表的红、黑表笔分别与电阻器的两端引脚相接即可测出实际电阻值。

为了提高测量精度，应根据被测电阻标称值的大小来选择量程。由于欧姆挡刻度的非线性关系，它的中间一段分度较为精细，因此应使指针指示值尽可能落到刻度的中段位置，即全刻度起始的20%～80%弧度范围内。根据电阻误差等级不同，读数与标称阻值之间分别允许有±5%、±10%或±20%的误差。如果不相符，超出误差范围，则说明该电阻器变质了。

检测电阻器时的注意事项如下：

测量电阻器时，特别是在测几十kΩ以上阻值的电阻器时，手不要触及表笔和电阻器的导电部分。

要将被检测的电阻器从电路中焊下来，至少要焊开一个引脚，以免电路中的其他元器件对测试产生影响，造成测量误差。

虽然色环电阻器的阻值能以色环标志来确定，但是在使用时最好还是用万用表测量一下其实际阻值。

2.变压器的检测

常见的电源变压器如图1-51 所示。首先，通过观察变压器的外观来检查是否有明显的异常现象，如绕组引线是否断裂，脱焊，绝缘材料是否有烧焦痕迹，铁心紧固螺杆是否有松动，硅钢片有无锈蚀，绕组是否有外露等。

1）绝缘性测试

用万用表R×10k挡分别测量铁心与一次绕组，一次绕组与各二次绕组、铁心与各二次绕组、静电屏蔽层与一次绕组、二次侧各绕组间的电阻值，万用表指针均应在无穷大位置不动；反之，则说明变压器绝缘性能不良。如图1-52所示。

2）线圈通/断的检测

将万用表置于R×1挡，测试中，若某个绕组的电阻值为无穷大，则说明此绕组有断路故障。

3）判别一次绕组和二次绕组

电源变压器一次侧引脚和二次侧引脚一般都是分别从两侧引出的，并且一次侧多标有220V字样，二次侧标出额定电压值，如15V、24V、35V等，可根据这些标记进行识别。一般来讲，一次绕组的直流阻抗值会大些（线径细、匝数多）。

4）空载电流的检测

（1）直接测量，将二次侧所有线圈全部开路，把万用表置于交流电流挡（500mA），串联接入一次绕组。当一次绕组的插头插入220V交流市电时，万用表所指示的便是空载电流值。此值不应大于变压器满载电流的10%～20%。一般常见电子设备电源变压器的正常空载电流应约为100mA，如果超出太多，则说明变压器有短路性故障。

（2）间接测量。在变压器的一次绕组中串联一个10Ω/5W的电阻器，二次侧仍全部空载，将万用表拨至交流电压挡。加电后，用两表笔测出电阻器R两端的电压降 U，然后用欧姆定律计算空载电流I空，即I空=U/R。

5）空载电压的检测

将电源变压器的一次侧接220V市电，用万用表交流电压挡依次测出各绕组的空载电压值，应符合要求值。一般允许误差范围：高压绕组，≤±10%；低压绕组，≤±5%；带中心抽头的两组对称绕组的电压，差应≤±2%。

6）检测判别各绕组的同名端

在使用电源变压器时，有时为了得到所需的二次电压，可将两个或多个二次绕组串联起来使用。采用串联法使用电源变压器时，参加串联的各绕组的同名端必须正确连接，不能搞错；否则，变压器不能正常工作。

7）电源变压器短路性故障的综合检测

电源变压器发生短路性故障后的主要症状是发热严重和二次绕组输出电压失常。

通常，绕组内部匝间短路点越多，短路电流就越大，变压器发热就越严重。判断电源变压器是否有短路故障的简单方法是测量空载电流。存在短路故障的变压器，其空载电流值将远大于满载电流的10%。当短路严重时，变压器在空载加电后几十秒钟之内便会迅速发热烫手。

3.二极管的检测

1）二极管极性的判定

将万用表的红、黑表笔分别接二极管的两个电极，若测得的电阻值很小（几千欧姆以下），则黑表笔所接电极为二极管正极，红表笔所接电极为二极管的负极；若测得的阻值很大（几百千欧姆以上），则黑表笔所接电极为二极管负极，红表笔所接电极为二极管的正极，如图1-53所示。

2）二极管好坏的判定

若测得的反向电阻很大（几百千欧姆以上），正向电阻很小（几千欧姆以下），表明二极管性能良好。

若测得的反向电阻和正向电阻都很小，表明二极管短路，已损坏。

若测得的反向电阻和正向电阻都很大，表明二极管断路，已损坏。

4.电解电容器的识别与检测

电解电容器的金属箔为正极（铝或钽），与正极紧贴的氧化膜（氧化铝或五氧化二钽）是电介质，阴极由导电材料、电解质（电解质可以是液体或固体）和其他材料共同组成。电解质是阴极的主要部分，电解电容器因此而得名。常见的电解电容器如图1-54所示。

一般情况下，电解电容器的一端标有一条很粗的白线，白线里面有一行负号，这就是电解电容器的负极，另一边就是正极。

注意：电解电容器正、负极不可接错。

1）万用表电阻挡的正确选择

因为电解电容器的容量较一般固定电容器大得多，所以应针对不同容量选用合适的量程。根据经验，一般情况下，对于1～47μF间的电容，可用R×1k挡测量，对于大于47μF的电容器，可以用R×100挡测量。

2）测量漏电阻

万用表红表笔接负极，黑表笔接正极。刚接触的瞬间，万用表指针即向右偏转较大幅度（对于同一电阻挡，容量越大，摆幅越大），接着逐渐向左回转，直到停在某一位置。然后，将红、黑表笔对调，万用表指针将重复上述摆动现象。此时所测阻值为电解电容器的反向漏电阻，略小于正向漏电阻，即反向漏电流比正向漏电流要大。如图1-55所示。

实际使用经验表明，电解电容器的漏电阻一般应在几百千欧姆以上；否则，将不能正常工作。在测试中，若正、反向均无充电现象，即指针不动，则说明容量消失或内部短路；如果所测阻值很小或为零，说明电容器漏电大或已击穿损坏，不能再使用。

3）极性判别

对于正、负极标志不明的电解电容器，可利用测量漏电阻的方法加以判别。先任意测一下漏电阻，记住其大小，然后交换表笔再测出一个阻值。两次测量中阻值大的那一次便是正向接法，即黑表笔接的是正极，红表笔接的是负极。

1.4.2 元器件的插装工艺

在印制电路板上焊接元器件前，必须进行引线的成形与插装。良好的引线成形工艺不仅可以避免因焊接时（尤其是自动化焊接时）受到热冲击而损坏元器件及印制电路板，而且还可以起到防振、防变形、提高整机可靠性的作用。

1.轴向引线元器件的成形与插装

轴向引线元器件的引线从两侧“一”字形伸出，常见的有电阻器、二极管等。

轴向引线元器件在成形时，弯头距引线根部的距离至少应为1．5mm。这样可以提高元器件与焊点之间的热阻，防止元器件在焊接时受热损坏。由于元器件引线的根部容易折断，为防止引线根部受力，可以用镊子夹住引线根部进行成形。弯头应成圆角，圆角的半径应大于引线直径的两倍，如图1-56 所示。成形时应将元器件标有型号与数值的一面朝外，以便以后检查与维修，如图1-57所示。

2.径向引线元器件的成形与插装

径向引线元器件的引出线在元器件的同侧。注意：引线不能勉强打弯；否则，会使元器件的封装树脂脱落或造成引线的折断。

3.元器件在印制电路板上安装的一般原则

平行安装时，元器件的外表面最好贴紧板面或离开尺寸越小越好，如果下面有导线，离开约1～2mm。

垂直安装时，元器件与印制电路板间的距离为2～4mm。

为加强焊接强度，元器件引出线插入焊接孔时至少伸出1．5mm，一个安装孔只可焊接一个元器件的引出线。

元器件装配时，其标志一律向上，并保持整块板面的标志方向一致。

元器件引线成形及安装示意图如图1-58所示。

1.4.3 手工焊接工艺

焊接工艺是电子产品装配的重要工艺。焊接质量的好坏，直接影响电子产品的工作性能。良好的焊接质量，可为电路提供良好的稳定性和可靠性；不良的焊接会导致元器件损坏，给测试带来很大困难，有时还会留下隐患，使电路不能正常工作。

1.焊接技术基本知识

焊料和焊剂的性质、成分、作用原理及选用知识是电子工艺技术中的重要内容之一，对于保证产品的焊接质量具有决定性的影响。

1）焊料

能熔化两种或两种以上的金属，使之成为一个整体的易熔金属或合金都叫焊料。焊料的种类很多，焊接不同的金属使用不同的焊料。按其成分可分为锡铅焊料、银焊料、铜焊料等。在一般电子产品装配中，通常用锡铅焊料，俗称“焊锡”。

锡（Sn）是一种质软、低熔点的金属，其熔点为232℃。纯锡价贵、质脆、机械性能差。在常温下，锡的抗氧化性强，金属锡在高于13．2℃时呈银白色，低于13．2℃时呈灰色，低于-40℃变成粉末。铅（Pb）是一种浅青色的软金属，熔点为327℃，机械性能差，可塑性好，有较高的抗氧化性和抗腐蚀性。铅属于对人体有害的重金属，在人体中积蓄能引起铅中毒。当铅和锡以不同的比例熔成合金以后，熔点和其他物理性能都会发生变化。

我们把锡铅合金焊料中锡占63%、铅占37%的焊锡称为共晶焊锡，它是比较理想的焊料，是常用的焊锡。共晶焊锡的优点如下：

熔点低：铅的熔点为327℃，锡的熔点为232℃，而共晶焊锡的熔点只有183℃，焊接温度低，防止损害元器件。

无半液态：由于熔点和凝固点一致而无半液体状态，因此可使焊点快速凝固，从而避免虚悍。这一点对自动焊接有重要意义。 表面张力低：表面张力低，焊料的流动性就强，对被焊物有很好的浸润作用，有利于提高焊点质量。 抗氧化能力强、机械特性好：锡和铅合在一起后，其化学稳定性大大提高了。共晶焊锡的拉伸强度、折断力、硬度都较大。

在电子产品装配中，使用的焊锡多为共晶焊锡。由于铅有毒，一些国家己开始对无铅焊料进行研究，实现焊料无铅化。如果用无铅焊料替代锡铅焊料，它应在物理性能、铅焊工艺性能、接头的力学性能等方面与锡铅焊料接近，而且成本不能过高、工艺可操作。使用无铅焊料替代锡铅焊料是发展趋势。

2）焊剂

焊剂又称助焊剂，是指焊接时用于去除被焊金属表面氧化层及杂质的物质。由于电子设备的金属表面同空气接触后都会生成一层氧化膜，温度越高，氧化越厉害。这层氧化膜阻止液态焊锡对金属的浸润作用，就像玻璃上沾上油就会使水不能浸润一样。助焊剂就是用于清除金属表面氧化膜，保证焊锡润湿和流动性的一种化学剂，它仅起到清除氧化膜的作用，不能除掉焊件上的所有污物。

助焊剂的种类很多，一般可分为无机助焊剂、有机助焊剂、松香基助焊剂。其中，松香基助焊剂是使用最多的一种。

松香基助焊剂包括松香焊剂、活化香剂、氢化松香等，在电子产品中普遍使用的是松香焊剂。松香是将松树和杉树等针叶树的树脂进行水蒸气蒸馏，去掉松节油剩下的不挥发物质。松香的助焊能力和电气绝缘性能好、不吸潮、无毒、无腐蚀、价格低，而被广泛采用。制好的印制电路板上涂上了松香水（松香+酒精），比例一般为1∶3，不但具有助焊能力，而且还可以防上铜的氧化，有利于焊接。注意：松香反复加热后会炭化（发黑）而失效，因此发黑的松香不起作用。

氢化松香是一种新型助焊剂，与松香相比具有更多的优点，更适于电子产品的超密度、小型化、可靠性高的要求。

2.手工焊接工具

手工焊接工具常用电烙铁，它的作用是加热焊接部位，熔化焊料，使焊料和被焊金属连接起来。

电烙铁一般分为外热式电烙铁、内热式电烙铁、恒温式电烙铁、带吸球或吸杆的电烙铁、热风枪等。

（1）外热式电烙铁的烙铁芯装在烙铁头的外部，如图1-59 所示。它由烙铁头、烙铁芯、木柄、电源引线和插头等组成。其中，烙铁芯是电烙铁的关键部分，它的结构是电热丝平行地绕制在一根空心瓷管上，中间用云母片绝缘并引出两根导线与220V交流电源连接。外热式电烙铁一般有20W、25W、30W、50W、75W、100W、150W、300W等多种规格。功率越大，烙铁头的温度越高。一般用35W外热式电烙铁焊接印制电路板。

（2）内热式电烙铁的烙铁芯装在烙铁头的内部，从烙铁头内部向外传导热，如图1-60所示。它由烙铁芯、烙铁头、连接杆、手柄等部分组成。烙铁芯由镍铬电阻丝缠绕在瓷管上制成。内热式电烙铁的热传导效率比外热式电烙铁高，20W的内热式电烙铁的实际发热功率与25～40W的外热式电烙铁相当。内热式电烙铁的特点是体积小、发热快、重量轻、耗电低等。内热式电烙铁的规格为20W、30W、50W等，主要用来焊接印制电路板。

（3）恒温式电烙铁是在普通电烙铁头上安装强磁体传感器制成的。接通电源后，烙铁头的温度上升，当达到设定的温度时，传感器里的磁铁达到居里点而磁性消失，从而使磁心触点断开，这时停止向烙铁芯供电；当温度低于居里点时磁铁恢复磁性，与永久磁铁吸合，触点接通，继续向电烙铁供电。如此反复，自动控温。

（4）带吸球或吸杆的电烙铁又叫吸锡电烙铁，是将普通电烙铁与活塞式吸锡器融为一体的拆焊工具。它的使用方法是电源接通3～5s后，把活塞按下并卡住，将锡头对准欲拆元器件，待锡熔化后按下按钮，活塞上升，焊锡被吸入吸管。用毕，推动活塞三、四次，清除吸管内残留的焊锡，以便下次使用。

（5）热风枪又称贴片电子元器件拆焊台，它专门用于表面贴装电子元器件（特别是多引脚的SMD集成电路）的焊接和拆卸。热风枪由控制电路、空气压缩泵、热风喷头和喷嘴等组成。其中，控制电路是整个热风枪的温度、风力控制中心；空气压缩泵是热风枪的心脏，负责热风枪的风力供应；热风喷头是将空气压缩泵送来的压缩空气加热到可以使BGA芯片上焊锡熔化的部件，其头部还装有可以检测温度的传感器，把温度信号转变为电信号送回电源控制电路板：各种喷嘴用于装拆不同的表面贴装电子元器件。

3.手工焊接的工艺流程和方法

一个良好焊点的产生，除了焊接材料具有可焊性、焊接工具（电烙铁）功率合适、采用正确的操作方法外，最重要的是操作者的技能。只有经过相当长时间的焊接练习，才能掌握焊接技术。有些人会认为用电烙铁焊接非常容易，没有什么技术含量，这是非常错误的。只有通过焊接实践，不断用心领会，不断总结，才能掌握较高的焊接技能。

焊接有钎焊和接触焊等。其中，手工焊接即手工钎焊，又称烙铁焊，是目前广泛采用的一种焊接技术。

1）焊接的定义

在固定母材之间，熔入比母材金属熔点低的焊料，依靠毛细管作用，使焊料进入母材之中，并发生化学变化，从而使母材与焊料结合为一体。

2）手工焊接的基本步骤

（1）准备：焊接前的准备包括焊接部位的清洁处理，导线与接线端子的钩连，元器件插装，以及焊料、焊剂和工具的准备，使连接点处于随时可以焊接的状态。

（2）加热：烙铁头加热焊接部位，使连接点的温度升至焊接需要的温度。加热时，烙铁头和连接点要有一定的接触面和接触压力。

（3）加焊剂：加热到一定温度后，即可在烙铁头与连接点的结合部或烙铁头对称的一侧，加上适量的焊料。焊料熔化后，用烙铁头将焊料拖动一段距离，以保证焊料覆盖连接点。

（4）冷却：焊料和烙铁头离开连接点（焊点）后，焊点应自然冷却，严禁用嘴吹或采用其他强制冷却的方法。在焊料凝固过程中，连接点不应受到任何外力的影响而改变位置。

（5）清洗：必须彻底清洗残留在焊点周围的焊剂、油污、灰尘。按清洗对象的不同，可采用手工擦洗、超声波清洗等方法。

3）手工焊接的操作常识

（1）电烙铁的握法：通常用右手握住电烙铁，握法有反握、正握和笔握3 种。反握法对被焊件压力较大，适用于较大功率的电烙铁（＞75W）；正握法适用于弯烙铁头的操作或直烙铁头在大型机架上的焊接；笔握法适用于小功率的电烙铁焊接印制电路板上的元器件。如图1-61所示。

（2）电烙铁的操作要领。

电烙铁要在短时间内将金属加热，因此对与被焊金属接触面和接触压力的掌握十分重要。例如，焊接印制电路板时，由于接触角度θ不同（一般θ取45°），会造成热传导速度在引线一侧快或在铜箔一侧快。为使加热均匀，烙铁头应对引线和铜箔同时加热。

焊接结束时，烙铁头撤离的方向也要注意。因为烙铁头的主要作用是加热，焊料熔化后，烙铁头应迅速离开焊点。如果焊料停止供给后还继续加热，会造成焊料流淌、焊点表面粗糙，从而使焊点失去金属光泽；如果烙铁头过早撤离，会造成加热不充分，焊剂作用不够，焊点强度降低，甚至会造成虚焊或假焊。

电烙铁除具有加热作用外，还能够控制焊料量，烙铁头以45°方向撤离，焊点圆滑，带走少量焊料；烙铁头垂直向上撤离，焊点容易造成拉尖；烙铁头以水平方向撤离，焊点带走大量焊料；烙铁头沿焊点向下撤离，带走大部分焊料；烙铁头沿焊点向上撤离，带走少量焊料。掌握并控制好烙铁撤离方向，就能控制焊料留存量，使每个焊点符合要求，这也是手工焊接的技巧之一。

4）焊接件的拆卸常识

对于电子设备，由于调试和维修原因，常需要把少数元器件拆焊换掉。拆焊时应注意避免损坏印制电路板和元器件。通常可逐个熔化焊点，逐个拆下元器件引线。例如，电阻器的两个引脚焊点可分两次拆下，称为分点拆焊法。也可以同时集中加热几个引线焊点，这种方法称为集中拆焊法。

拆焊时多余的焊锡应清除掉，通常用吸锡电烙铁，它能很方便地吸去多余的焊料。使用时，只要把烙铁头靠上焊点，等焊料熔化后按一下按钮，即可把熔化后的焊锡吸入储锡盒内。

5）焊接质量的检验

一个良好的焊点，应该明亮、平滑、焊料适量并成裙状拉开，焊锡与焊盘结合处的轮廓隐约可见，无裂纹、针孔、拉尖等现象。焊接质量的检验主要以外观检查为主，首先要查看焊料的润湿情况和焊点的几何形状，然后从焊点的亮度、光泽等方面进行检查。

印制电路板的常见焊接缺陷及其产生原因如下：

拉尖：原因是温度太低或烙铁离开焊点太慢。

桥接：焊接时印制电路板铜箔间不应连接处的意外连接现象。

空洞：由于焊料未全部填满印制电路板的插孔而出现，使用中易脱落。

堆焊：因焊料过多和润湿不良而形成弹丸状，看不出引线的轮廓。主要原因是引线或焊盘被氧化而不能润湿、焊点加热不充分、维修时焊料过多。

其他缺陷：如导线损伤，铜箔的翘起、剥离等，主要是焊点过热、多次焊接、焊盘受力等引起。

1.5 项目调试

在项目实物制作完成后，需要进行测试，查看实物是否能正常工作，指标是否符合要求等。

1.5.1 变压器参数测试

参照图1-11所示的测试节点，测试变压器参数，并将波形绘制于图1-62中。

根据图1-62所示波形的参数，计算实物变压器的匝数比。

1.5.2 单相桥式整流电路参数测试

参照图1-32 所示的测试节点，测试单相桥式整流电路参数，并将波形绘制于图1-63中。

根据图1-63 所示波形的参数，计算整流桥输出有效电压值和变压器输出有效电压值的关系。

1.5.3 电容器滤波单相桥式整流电路参数测试

参照图1-40 所示的测试节点，测试使用了电容器滤波的单相桥式整流电路的参数，并将波形绘制于图1-64中。

1.5.4 直流稳压电源参数测试

参照图1-48所示的测试节点，测试直流稳压电源的参数，并将波形绘制于图1-65中。