《电子制作从零开始》 第3章：电源电路制作

第3章：电源电路制作

3.1直流电源基础

直流电源的分类与工作原理

• 分类：
  • 电池类直流电源：这是最常见的直流电源之一，如干电池、蓄电池等。干电池是通过化学能直接转换为电能，它的优点是携带方便、使用简单，像普通的碱性干电池，电压一般为1.5V，适用于小型电子设备，如遥控器、手电筒等。蓄电池则可以通过充电将电能储存起来，反复使用，例如铅酸蓄电池，常用于汽车、UPS（不间断电源）等设备中，它能够提供较大的电流和相对稳定的电压。
  • 整流电源：将交流电转换为直流电的电源。它的核心部分是整流电路，利用二极管的单向导电性，把交流输入信号变为脉动直流信号。这种电源广泛应用于各种需要将市电（交流电源）转换为直流电源的电子设备中。
  • 线性稳压电源和开关稳压电源：这是两种常见的稳压电源类型。线性稳压电源通过调整管工作在线性区来稳定输出电压；开关稳压电源则是通过控制开关管的导通和截止时间来调整输出电压。
• 工作原理：
  • 电池类电源工作原理：以锌 - 锰干电池为例，其内部的锌筒作为负极，二氧化锰和石墨混合的碳棒作为正极，中间填充有氯化铵和氯化锌等电解质。在电池工作时，锌筒中的锌原子失去电子变成锌离子进入电解质，电子通过外部电路流向碳棒，在碳棒表面，二氧化锰得到电子与电解质中的氢离子发生反应，从而在外部电路产生直流电。
  • 整流电源工作原理：对于整流电源，当交流输入电压为正半周时，二极管导通，电流通过负载；当交流输入电压为负半周时，二极管截止，负载中没有电流通过（半波整流情况）。如果采用全波整流或桥式整流，在交流输入电压的负半周，电流会通过另外的二极管路径来保证负载中有电流通过，只是方向不变，从而将交流电转换为脉动直流电。

线性稳压电源与开关稳压电源的特点

• 线性稳压电源特点：
  • 优点：
    • 输出电压稳定性高：线性稳压电源的输出电压纹波系数小，输出电压的精度可以达到很高的水平。例如，在一些对电压稳定性要求极高的精密仪器中，如实验室用的高精度电源供应器，线性稳压电源能够将输出电压的波动控制在极小的范围内，通常可以达到±0.1%以内。
    • 电路结构简单：其电路主要由变压器、整流器、滤波器和线性稳压器组成。相对而言，电路原理和设计比较直观，易于理解和调试。对于初学者来说，比较容易掌握线性稳压电源的设计和制作方法。
    • 线性调整特性好：输出电压与输入电压呈线性关系，在一定的输入电压范围内，输出电压的调节线性度较好。例如，当输入电压在一定范围内变化时，通过调整线性稳压器的控制端，可以使输出电压按照一定的比例或线性规律变化。
  • 缺点：
    • 效率较低：因为调整管工作在线性区，会有较大的功率损耗。特别是在输入电压与输出电压差值较大或者输出电流较大的情况下，功率损耗更为明显。例如，当输入电压为12V，输出电压为5V，输出电流为1A时，调整管上的压降为7V，根据功率公式$P=UI$，调整管上的功率损耗为7W，这种情况下电源的效率较低。
    • 发热量大：由于功率损耗大，产生的热量较多。这就要求在设计电路时，要考虑散热问题，通常需要安装较大的散热片来保证调整管正常工作，否则可能会因为过热导致调整管损坏，进而影响电源的正常工作。
• 开关稳压电源特点：
  • 优点：
    • 效率高：开关稳压电源的调整管工作在开关状态，要么完全导通，要么完全截止。在导通时，电流虽然大，但管压降很小；在截止时，管压降虽然大，但电流几乎为零。这样一来，调整管的功率损耗主要发生在开关转换过程中，整体损耗较小，效率较高。一般情况下，开关稳压电源的效率可以达到70% - 90%左右，相比线性稳压电源有很大的优势。
    • 体积小、重量轻：由于不需要像线性稳压电源那样使用大型的变压器和散热片，开关稳压电源可以采用高频变压器和较小的滤波元件。高频变压器的体积比低频变压器小很多，而且在相同功率下，开关稳压电源的整体体积和重量都可以得到有效控制。这使得它在对体积和重量有要求的设备中，如笔记本电脑电源适配器等应用广泛。
  • 缺点：
    • 输出纹波较大：开关稳压电源的输出电压纹波相对线性稳压电源较大。这是因为开关管的高速开关动作会在输出端产生高频纹波，虽然可以通过滤波电路来减小纹波，但很难完全消除。在一些对纹波要求特别严格的场合，可能需要更复杂的滤波措施。
    • 电路复杂，电磁干扰强：开关稳压电源的电路结构包括控制电路、开关管、高频变压器、整流滤波电路等多个部分，电路设计和调试相对复杂。而且开关管的高速开关动作会产生较强的电磁干扰，可能会影响其他电子设备的正常工作。因此，在设计和制作开关稳压电源时，需要采取有效的电磁干扰（EMI）抑制措施。

3.2简单直流电源制作

整流电路设计与元件选择（半波整流、全波整流、桥式整流）

• 半波整流：
  • 原理：半波整流电路是最简单的整流电路，它只利用了交流电源的半个周期。在交流电源的正半周，二极管导通，电流通过二极管和负载电阻，将电能传输给负载；在交流电源的负半周，二极管截止，负载中没有电流通过。这样，在负载两端就得到了一个只有正半周的脉动直流电压。
  • 元件选择：二极管的选择主要考虑其最大反向工作电压和最大正向电流。最大反向工作电压应大于交流电源电压的峰值，例如，对于220V市电经过变压器降压后的交流电压（假设有效值为12V），其峰值电压约为$12V\times \sqrt{2}\approx 17V$，所以二极管的最大反向工作电压应大于17V。最大正向电流应大于负载电流，假设负载电流为1A，则二极管的最大正向电流应大于1A。常见的整流二极管如1N4001 - 1N4007等都可以满足一般的半波整流要求。
• 全波整流：
  • 原理：全波整流电路利用了交流电源的整个周期。它需要一个带有中心抽头的变压器，将交流电压分为两个大小相等、相位相反的电压。在交流电源的正半周，一个二极管导通，另一个二极管截止，电流通过导通的二极管和负载；在交流电源的负半周，情况相反，另一个二极管导通，之前的二极管截止，电流仍然通过负载，只是方向不变。这样，在负载两端得到的脉动直流电压的频率是交流电源频率的两倍，且脉动程度比半波整流小。
  • 元件选择：同样要考虑二极管的最大反向工作电压和最大正向电流。由于每个二极管在半个周期内工作，所以二极管承受的反向电压是变压器次级电压峰值的两倍。对于上述变压器次级有效值为12V的情况，每个二极管承受的反向电压约为$2\times 12V\times \sqrt{2}\approx 34V$。在选择二极管时，其最大反向工作电压应大于此值。最大正向电流要求与半波整流相同，要大于负载电流。
• 桥式整流：
  • 原理：桥式整流电路也是利用了交流电源的整个周期，它由四个二极管组成一个桥式结构。在交流电源的正半周，两个二极管导通，另外两个二极管截止，电流通过导通的二极管和负载；在交流电源的负半周，另外两个二极管导通，之前的两个二极管截止，电流仍然通过负载，且方向不变。这样，在负载两端得到的脉动直流电压的频率也是交流电源频率的两倍，并且其输出电压的平均值比半波整流和全波整流（相同变压器次级电压下）都要高。
  • 元件选择：二极管的最大反向工作电压应大于变压器次级电压的峰值，对于有效值为12V的次级电压，其峰值约为17V，所以二极管的最大反向工作电压应大于17V。最大正向电流要求是负载电流的一半，因为在每个半周期有两个二极管同时导通，共同分担负载电流。例如，负载电流为1A时，每个二极管的最大正向电流应大于0.5A。

滤波电路原理与实现（电容滤波、电感滤波）

• 电容滤波：
  • 原理：电容滤波是利用电容器的充放电特性来平滑整流后的脉动直流电压。在整流电路输出的脉动直流电压的峰值时刻，电容器充电，将电能储存起来；当电压下降时，电容器开始放电，释放储存的电能，从而使输出电压变得平滑。电容器的容量越大，滤波效果越好，但电容过大可能会导致充电电流过大，对整流二极管造成损害。
  • 实现：在选择电容时，需要考虑电容的耐压值和容量。耐压值应大于整流输出电压的最大值，例如，对于上述整流后的峰值电压约为17V的情况，电容的耐压值应选择25V或更高。电容容量的选择要根据负载电流和对纹波的要求来确定。一般来说，负载电流越大，所需的电容容量越大；对纹波要求越低，电容容量也越大。例如，对于一个小功率电源，负载电流为几百毫安，选择几十微法到几百微法的电解电容即可。
• 电感滤波：
  • 原理：电感滤波是基于电感对电流变化的阻碍特性。当流过电感的电流发生变化时，电感会产生一个自感电动势来阻碍电流的变化。在整流后的脉动直流电路中，电感可以使电流的波动减小，从而使输出电压变得平滑。电感滤波的优点是对高频干扰有较好的抑制作用，并且不会像电容滤波那样在开机瞬间产生较大的充电电流。
  • 实现：电感的选择主要考虑电感量和额定电流。电感量越大，滤波效果越好，但电感量过大可能会导致电感体积增大、成本增加。额定电流应大于负载电流，以保证电感在正常工作时不会因为过流而损坏。例如，对于一个负载电流为1A的电源，选择电感量为几亨、额定电流大于1A的电感进行滤波。在实际应用中，为了达到更好的滤波效果，也可以将电感滤波和电容滤波结合使用，形成LC滤波电路。

稳压电路搭建（稳压管稳压、集成稳压芯片应用）

• 稳压管稳压：
  • 原理：稳压二极管是一种特殊的二极管，它在反向击穿状态下，两端的电压能在一定范围内保持基本稳定。当电源电压波动或者负载电流变化时，通过稳压二极管的电流会相应地变化，从而保持输出电压的稳定。例如，当输入电压升高时，通过稳压二极管的电流增加，使得串联在电路中的限流电阻上的压降增大，从而保持输出电压不变。
  • 搭建方法：在搭建稳压管稳压电路时，需要一个合适的限流电阻。限流电阻的阻值计算公式为$R=(U_{in}-U_z)/I_z$，其中$U_{in}$是输入电压，$U_z$是稳压二极管的稳压值，$I_z$是稳压二极管的稳定电流。例如，输入电压为12V，稳压二极管的稳压值为5V，稳定电流为10mA，那么限流电阻的阻值$R=(12V-5V)/0.01A=700\Omega$。同时，要注意稳压二极管的极性，其阴极接高电位，阳极接低电位。
• 集成稳压芯片应用：
  • 原理：集成稳压芯片内部集成了复杂的稳压电路，通过对输入电压进行采样、比较和调整，输出稳定的直流电压。例如，常见的78XX系列（如7805、7812等）和79XX系列（如7905、7912等）集成稳压芯片，它们的工作原理是基于线性稳压技术，通过调整内部的晶体管来稳定输出电压。
  • 应用方法：以7805为例，它的输入电压一般要求在7V - 35V之间，输出为稳定的5V直流电压。在使用时，将芯片的输入端连接到经过整流滤波后的直流电压，输出端连接到负载，公共端（接地端）连接到电源的地。为了保证芯片的正常工作，通常还需要在输入端和输出端分别连接一个电容，输入端电容用于抑制高频干扰，输出端电容用于改善瞬态响应和进一步滤波。

3.3电源电路调试与测试

调试前的准备工作与安全事项

• 准备工作

  • 工具和仪器准备：
    • 万用表是必不可少的工具，用于测量电压、电流和电阻等基本电学参数。在调试电源电路时，需要使用万用表的直流电压档来检查输出电压是否符合预期，用电流档测量输出电流，以确保电路正常工作且没有过载等情况。
    • 如果有条件，示波器是非常有用的仪器。它可以直观地显示电源输出电压的波形，包括直流分量和纹波成分。通过观察示波器上的波形，可以更准确地分析电源电路的性能，如纹波的频率、幅值和形状等。
    • 此外，还需要电烙铁、镊子、螺丝刀等工具。电烙铁用于焊接或修复电路连接；镊子可以方便地夹取小元件或协助焊接；螺丝刀用于拆卸和安装螺丝，例如在检查变压器连接或更换元件时可能会用到。
  • 检查电路连接：
    • 仔细对照电路图，检查电源电路中各个元件之间的连接是否正确。对于整流电路部分，要确保二极管的极性连接正确。在桥式整流电路中，四个二极管的连接顺序一旦出错，将导致整流功能失效或损坏二极管。
    • 检查滤波电容和电感的连接。电解电容有正负极之分，要保证正极连接到电路中的高电位端，负极连接到低电位端。对于电感，要检查其绕组的连接是否牢固，没有短路或断路的情况。
    • 对于稳压电路部分，如使用稳压管，要确认稳压管的极性正确；若使用集成稳压芯片，要检查芯片的引脚连接是否与电路图一致，包括输入、输出和接地引脚等。
  • 元件参数核对：
    • 再次核对每个元件的参数是否符合设计要求。对于整流二极管，检查其最大反向工作电压和最大正向电流是否满足电路的实际工作条件。例如，在一个输入为220V交流经变压器降压后的整流电路中，根据变压器次级电压的峰值来确定二极管的最大反向工作电压参数是否足够。
    • 检查滤波电容的耐压值和容量。耐压值应高于电路中可能出现的最高电压，以防止电容被击穿。容量大小要根据滤波要求和负载电流来确定，一般来说，对于要求纹波较小的电路，需要较大容量的滤波电容。
    • 对于稳压元件，如稳压管的稳压值要与设计的输出稳压值相符，集成稳压芯片的型号和输入输出电压范围要适合电路的实际需求。

• 安全事项

  • 防止触电：
    • 电源电路调试过程中可能会涉及到高电压，特别是在连接到市电（220V交流）的初级电路部分。在操作前，务必确保电源插头已从插座拔出，并且在接触电路之前，使用万用表检查是否有残留电压。
    • 当使用示波器等仪器进行测量时，要确保仪器的探头和接地线连接正确，避免触电危险。如果需要在带电情况下进行测量（如监测输出电压），要使用绝缘良好的工具，并保持手部干燥，避免接触到高电压部分。
  • 防止元件损坏：
    • 许多电子元件，如集成电路芯片和某些精密元件，对静电非常敏感。在调试过程中，应采取防静电措施，如佩戴防静电手环，将工作区域设置为防静电环境，避免静电对元件造成损坏。
    • 在连接或断开元件、使用仪器探头进行测量时，要注意操作顺序和方法，避免产生瞬间过电压或过电流，导致元件损坏。例如，在连接示波器探头时，要先将探头接地端连接好，再接触信号端，并且要确保探头的量程设置正确，防止对电路施加过高的电压。

输出电压、电流测量与调整

• 电压测量与调整

  • 测量方法：
    • 将万用表置于直流电压档，量程要根据预计的输出电压来选择。例如，如果设计的电源输出电压为5V左右，可将万用表量程设置为10V档。把红表笔连接到电源输出的正极，黑表笔连接到负极，读取万用表显示的电压值。
    • 如果使用示波器测量电压，将示波器探头的正端连接到电源输出正极，负端（接地端）连接到电源输出负极。在示波器上调整垂直灵敏度和时间基准等参数，使电压波形稳定显示在屏幕上。此时，可以读取直流电压的平均值（对于稳定的直流电源，平均值即为输出电压）。
  • 调整方法：
    • 稳压管稳压电路调整：如果是稳压管稳压电路，输出电压与稳压管的稳压值有关。首先检查稳压管的稳压值是否符合设计要求，若输出电压偏低，可能是稳压管稳压值偏低或者限流电阻阻值过大。可以尝试更换稳压管或者调整限流电阻的阻值来提高输出电压。限流电阻阻值的计算公式为$R=(U_{in}-U_z)/I_z$，其中$U_{in}$是输入电压，$U_z$是稳压管的稳压值，$I_z$是稳压管的稳定电流。例如，若输入电压为12V，稳压管稳压值为5V，稳定电流为10mA，限流电阻$R=(12-5)/0.01=700\Omega$。如果输出电压偏高，可能是稳压管稳压值偏高或者限流电阻阻值过小，可相应地调整。
    • 集成稳压芯片电路调整：对于固定输出电压的集成稳压芯片（如78XX系列、79XX系列），如果输出电压不准确，首先检查输入电压是否在芯片规定的范围内。例如，7805芯片要求输入电压范围一般是7V - 35V。如果输入电压正常，输出电压仍有偏差，可能是芯片本身损坏或者外围元件（如输入输出端的滤波电容）有问题。对于可调集成稳压芯片（如LM317），输出电压可以通过调整芯片的调节端连接的电阻来改变。其输出电压公式为$V_{out}=1.2V\times (1+R_2/R_1)$，其中$R_1$和$R_2$是连接在调节端的电阻。通过改变$R_2$的阻值，可以精确地调整输出电压。

• 电流测量与调整

  • 测量方法：
    • 直接测量法：如果万用表有电流测量功能且量程合适，可以将万用表串联在电路中测量电流。要注意的是，在串联万用表之前，需要先断开电路，将万用表的红表笔插入电流测量孔（注意量程对应的插孔），黑表笔连接到断开电路的另一端，然后闭合电路进行测量。这种方法可以直接读取电路中的电流值，但操作相对复杂，且可能会对电路造成一定的干扰。
    • 间接测量法：在电源输出端串联一个已知阻值的小电阻（称为采样电阻），如0.1Ω - 1Ω。使用万用表的直流电压档测量这个采样电阻两端的电压，然后根据欧姆定律$I=U/R$计算出电流。例如，测量得到采样电阻两端电压为0.5V，采样电阻阻值为0.5Ω，则通过的电流$I=0.5V/0.5\Omega =1A$。这种方法相对简单，对电路的干扰较小。
  • 调整方法：
    • 对于线性稳压电源，如果输出电流过大，可能是负载电阻过小导致的。可以适当增加负载电阻的阻值来减小电流。但要注意，负载电阻的改变可能会影响输出电压，需要同时监测电压情况并进行调整。如果输出电流过小，可能是负载电阻过大或者电源本身的输出能力不足。对于输出能力不足的情况，需要检查电源电路的元件参数，如整流二极管的电流容量、稳压元件的输出能力等。
    • 对于开关稳压电源，输出电流大小与开关管的工作状态、反馈电路的性能等因素有关。如果输出电流异常，需要检查开关管是否正常工作，包括其驱动信号是否正常、是否存在过流保护触发等情况。同时，检查反馈电路中的元件，如光耦、误差放大器等，确保反馈信号能够正确地调节输出电流。

纹波系数测试与降低纹波的方法

• 纹波系数测试

  • 测试方法：
    • 将示波器的探头连接到电源输出端，确保探头的接地良好。调整示波器的时间基和垂直灵敏度，使波形能够清晰地显示在屏幕上。将示波器设置为交流耦合模式，这样可以只观察到纹波信号（去除直流分量）。
    • 测量纹波电压的有效值（$U_{rms}$）和输出直流电压（$U_{dc}$）。纹波系数（$\gamma$）的计算公式为$\gamma =U_{rms}/U_{dc}$。例如，测量得到纹波电压有效值为10mV，输出直流电压为5V，则纹波系数$\gamma =10mV/5V=0.002=0.2\%$。
  • 观察纹波频率和幅值：
    • 通过示波器观察纹波的频率。对于半波整流电源，纹波频率等于交流电源的频率；对于全波整流和桥式整流电源，纹波频率是交流电源频率的两倍。例如，在我国市电频率为50Hz的情况下，半波整流后的纹波频率是50Hz，全波整流和桥式整流后的纹波频率是100Hz。
    • 观察纹波幅值可以判断滤波电路的效果。如果纹波幅值过大，说明滤波电路需要改进。例如，对于一个要求纹波系数小于1%的电源电路，当观察到纹波幅值超过输出直流电压的1%时，就需要采取措施降低纹波。

• 降低纹波的方法

  • 增加滤波电容容量：
    • 在滤波电路中，电容的作用是平滑整流后的脉动直流电压。适当增加滤波电容的容量可以有效地降低纹波。例如，将原来的100μF滤波电容更换为220μF或更大容量的电容（要注意电容的耐压值也要满足要求）。但电容容量过大可能会导致开机瞬间充电电流过大，对整流元件造成损坏，同时也会增加成本和电路板的体积。
  • 采用多级滤波：
    • 可以采用多级滤波电路，如π型滤波电路。π型滤波电路由一个电感和两个电容组成，其滤波效果比单一的电容滤波或电感滤波更好。例如，在整流输出后先经过一个电容滤波，再串联一个电感，最后再接一个电容进行滤波，这样可以更有效地降低纹波。
  • 优化电路布局和布线：
    • 在电路板设计中，合理的布局和布线也可以降低纹波。将滤波元件（电容、电感）尽量靠近负载和整流元件放置，缩短电流路径，减少电磁干扰和线路电感的影响。同时，避免信号线路和电源线路的交叉，采用大面积接地等方式，提高电路的稳定性和滤波效果。