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稳压电源制作
项目编号03
知识目标
技能目标
建议教学学时
14建议实训学时
6
任务一:磁路与变压器(4课时)
教学内容:①磁路的基本知识;
②变压器的工作原理及其使用;
教学要求:①了解磁路中磁通、磁感应强度等基本物理量的含义;
②掌握变压器的工作原理及其使用方法;
教学过程:
一、电流的磁效应
磁场:磁体周围存在的一种特殊的物质叫磁场。磁体间的相互作用力是通过磁场传送的。磁体间的相互作用力称为磁场力,同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引。
磁场的性质:磁场具有力的性质和能量性质。
(3)磁场方向:在磁场中某点放一个可自由转动的小磁针,它N极所指的方向即为该点的磁场方向。
(1)磁感线
在磁场中画一系列曲线,使曲线上每一点的切线方向都与该点的磁场方向相同,这些曲线称为磁感线。如图5-1所示。
(2)特点
磁感线的切线方向表示磁场方向,其疏密程度表示磁场的强弱。
磁感线是闭合曲线,在磁体外部,磁感线由N极出来,绕到S极;在磁体内部,磁感线的方向由S极指向N极。
③任意两条磁感线不相交。
说明:磁感线是为研究问题方便人为引入的假想曲线,实际上并不存在。
图5-2所示为条形磁铁的磁感线的形状。
(3)匀强磁场在磁场中某一区域,若磁场的大小方向都相同,这部分磁场称为匀强磁场。匀强磁场的磁感线是一系列疏密均匀、相互平行的直线。
(1)电流的磁场直线电流所产生的磁场方向可用安培定则来判定,方法是:用右手握住导线,让拇指指向电流方向,四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。
环形电流的磁场方向也可用安培定则来判定,方法是:让右手弯曲的四指和环形电流方向一致,伸直的拇指所指的方向就是导线环中心轴线上的磁感线方向。
螺线管通电后,磁场方向仍可用安培定则来判定:用右手握住螺线管,四指指向电流的方向,拇指所指的就是螺线管内部的磁感线方向。
(2)电流的磁效应电流的周围存在磁场的现象称为电流的磁效应。电流的磁效应揭示了磁现象的电本质。
二、磁场的主要物理量
磁场中垂直于磁场方向的通电直导线,所受的磁场力F与电流I和导线长度l的乘积Il的比值叫做通电直导线所在处的磁感应强度〃。即
B=i
磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量。磁感应强度是一个矢量,它的方向即为该点的磁场方向。在国际单位制中,磁感应强度的单位是:特斯拉(T)。
用磁感线可形象的描述磁感应强度B的大小,B较大的地方,磁场较强,磁感线较密;B较小的地
方,磁场较弱,磁感线较稀;磁感线的切线方向即为该点磁感应强度B的方向。匀强磁场中各点的磁感应强度大小和方向均相同。
在磁感应强度为B的匀强磁场中取一个与磁场方向垂直,面积为S的平面,则B与S的乘积,叫做穿过这个平面的磁通量①,简称磁通。即
①=BS
磁通的国际单位是韦伯(Wb)。由磁通的定义式,可得
①B=—
S
即磁感应强度B可看作是通过单位面积的磁通,因此磁感应强度B也常叫做磁通密度,并用Wb/m2
作单位。
(1)磁导率卩
磁场中各点的磁感应强度B的大小不仅与产生磁场的电流和导体有关,还与磁场内媒介质(又叫做磁介质)的导磁性质有关。在磁场中放入磁介质时,介质的磁感应强度B将发生变化,磁介质对磁场的影响程度取决于它本身的导磁性能。
物质导磁性能的强弱用磁导率卩来表示。卩的单位是:亨利/米(H/m)。不同的物质磁导率不同。在相同的条件下,卩值越大,磁感应强度B越大,磁场越强;卩值越小,磁感应强度B越小,磁场越弱。
真空中的磁导率是一个常数,用仏表示
卩0=4冗X10-7H/m
(2)相对磁导率卩
为便于对各种物质的导磁性能进行比较,以真空磁导率1%为基准,将其他物质的磁导率卩与卩0比较,其比值叫相对磁导率,用卩表示,即
r
在各向同性的媒介质中,某点的磁感应强度B与磁导率卩之比称为该点的磁场强度,记做H。即
B=pH=ppH
0
磁场强度H也是矢量,其方向与磁感应强度B同向,国际单位是:安培/米(A/m)。
必须注意:磁场中各点的磁场强度H的大小只与产生磁场的电流I的大小和导体的形状有关,与磁介质的性质无关。
三、磁路的基本概念
(1)主磁通和漏磁通
如图5-12所示,当线圈中通以电流后,大部分磁感线沿铁心、衔铁和工作气隙构成回路,这部分磁通称为主磁通;还有一部分磁通,没有经过气隙和衔铁,而是经空气自成回路,这部分磁通称为漏磁通。
(2)磁路磁通经过的闭合路径叫磁路。磁路和电路一样,分为有分支磁路和无分支磁路两种类型。图5-12给出了无分支磁路,图5-13给出了有分支磁路。在无分支磁路中,通过每一个横截面的磁通都相等。
(1)磁动势
通电线圈产生的磁通①与线圈的匝数N和线圈中所通过的电流I的乘积成正比。把通过线圈的电流I与线圈匝数N的乘积,称为磁动势,也叫磁通势,即
E=NI
m
磁动势Em的单位是安培(A)。
(2)磁阻
磁阻就是磁通通过磁路时所受到的阻碍作用,用R表示。磁路中磁阻的大小与磁路的长度l成正
m
比,与磁路的横截面积S成反比,并与组成磁路的材料性质有关。因此有
R二-1-
mpS
式中,p为磁导率,单位H/m,长度l和截面积S的单位分别为m和m2。因此,磁阻R的单位为1/m亨(H-1)。由于磁导率p不是常数,所以Rm也不是常数。
(3)磁路欧姆定律①磁路欧姆定律
通过磁路的磁通与磁动势成正比,与磁阻成反比,即
忌E
①二m
R
上式与电路的欧姆定律相似,磁通①对应于电流I,磁动势E对应于电动势E,磁阻R对应于电
mm
阻R。因此,这一关系称为磁路欧姆定律。
②磁路与电路的对应关系磁路中的某些物理量与电路中的某些物理量有对应关系,同时磁路中某些物理量之间与电路中某些物理量之间也有相似的关系。
图5-14对应的电路和磁路
图5-14是相对应的两种电路和磁路。
表5-2列出了电路与磁路对应的物理量及其关系式。
表5-2磁路和电路中对应的物理量及其关系式
电路
磁路
电流
I
磁通
①
电阻
R=p~
S
磁阻
R=丄myS
电阻率
P
磁导率
电动势
E
磁动势
Em=IN
电路欧姆定律
I=E
R
磁路欧姆定律
①=^m-R
m
•代入,可得
E
根据磁路的欧姆定律①二二m,将①=BS、E=NI、Rm
将上式与B=RH对照,可得
IN
H=或IN=Hl
l
即磁路中磁场强度H与磁路的平均长度l的乘积,在数值上等于激发磁场的磁动势,这就是全电流定律。
磁场强度H与磁路平均长度l的乘积,又称磁位差,用U表示,即
m
U=Hl
m
磁位差Um的单位为安培(A)。
若所研究的磁路具有不同的截面,并且是由不同的材料构成的,则可以把磁路分成许多段来考虑
于是有
IN=H111+H212+
+Hl
nn
IN丄HI丄U口
【例5-1】匀强磁场的磁感应强度为5x10-2T,媒介质是空气,与磁场方向平行的线段长10cm,求这一线段上的磁位差。
解:H=—=—=5X10〜39809A/m,U=Hl==
卩%4kx10-7m
四、变压器
,它的主要作用是变电压、变电流和变阻抗,还可使电源和负载之间进行隔离等。一般变压器是由线圈绕在同一闭合磁路上而构成。线圈有两个或多个组成,接电源(信号源)的线圈叫初级线圈,传输能量给负载的线圈叫次级线圈。
。
变压器常用字母符号T或Tr表示。。
N
2
N
(b)
图1-16变压器外形及电路符号
値)常见变压器(b)变压器电跻符号
(1)变比n
n=N1/N2=U1/U2,N]、N2分别为变压器初次级绕组的匝数,U「U2为绕组电压。
(2)额定功率P指变压器在额定电压,额定频率的情况下,变压器长时间工作在规定温升条件下的输出功率。
额定功率的单位用VA(伏安)表示。
(3)绝缘电阻变压器各绕组之间和各绕组与铁芯之间由于不是完全理想的绝缘,外加电压时,存在着一定的漏电,这就是绝缘电阻。绝缘电阻越大,漏电电流就越小。变压器绝缘电阻过小,就会使仪器、设备的外壳带电,对仪器设备的正常工作和人身安全带来危险。
另外还有温升、空载电流、效率等参数。
(1)用万用表测电感和变压器。检测线圈直流电阻和绕组内部有无开路现象。万用表调至电阻挡,并将表笔接绕组两端头,这时绕组呈现一定的电阻值,这个电阻值就是绕组的直流电阻。若测得某一绕组的直流电阻是无限大,则说该绕组内部导线已断;若已知绕组的正常直流电阻值,而测得电阻值比该绕组正常直流电阻值小得多,说明绕组有严重匝间短路。
对于多个绕组的电感器,用万用表测电阻的方法判测各绕组的端头间的直流电阻,找出哪两个或几个端头属于同一个绕组。正常情况下各绕组间、绕组与铁心间、绕组与屏蔽层间的绝缘电阻都应是无限大。
(2)用万用表测量变压器的同极性端。在使用中,有时需要知道变压器的同极性端(也叫同名端),但变压器上又无标志,就需要对变压器进行同名端的判测,可用下述方法(直流法)测定。测试电路如图
。
图中T为待测试同极性端的变压器。(设定)两端。将万用表拨到最小电压挡()或最小电流挡(50微安),接于变压器次级,。当开关合上瞬间,观察万用表指针的偏转方向,若表针向右方摆动一下,又回到零点,说明a端和c端(b端和d端)为同极性端,如图中所标示“•端为同极性端。若表针向左偏转,a端和d端是同极性端。
注意在测试中开关不要长时闭合,减少电池损耗。轉表针偏转不太明显,可将变压器的初、次级交换后再进行测试。
任务二:二极管的特性和应用(2课时)
把一块纯净半导体一部份制成P型半导体,另一部份制成N型半导体,那么在N型和P型半导体之间的交界面上就形成了具有单向导电性能的PN结,分别从P区和N区引出两个电极,并以管壳封装就制成了二极管。从P区引出的电极称为正极,从N区引出的电极称为负极。普通二极管的结构、伏安特性、。
(a)结构(b)电路符号
、特性、电路符号
普通二极管的的最大特点就是具有单向导电性。给二极管加上正向电压(P区电位高于N区电位)时,当正向电压大于死区电压(,),二极管导通。正常导通情况下管压降也很小(,)。给二极管加反向电压(N区电位高于P区电位)时,随着反向电压的增大,二极管仅有很小的反向电流,二极管反向几乎不导电。这就是二极管的单向导电性。
一、晶体二极管的类型二极管的种类很多,从制造材料上分为锗二极管、硅二极管、***化镓二极管;从用途上分为有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、发光二极管、各种敏感二极管和特殊用途的二极管,如变容二极管、微波二极管等;从结构上分为点接触型二极管、面接触型二极管等。按封装形式可分为塑封管、金封管和玻璃封装等。。
表1-11几种二极管外形及特点
普通二极管
发光二极管
稳压二极管
特殊二极管
外
ij
1
II
j
1ii
I*-,n?
曹
符号
用途
1
整疣、检波等
正向通电发迸
反向应用于稳压
各种相关应用
大功率整疣
特点
整疣二极管检波二极管开关二极管等
有发红色、绿色、
、激光等发光二极管
各种稳压电压值触誌塑封和疲璃封装稳压管
各种敏感二极管、变容二极管等
在整流电路中,常将二极管制成桥堆,用四只二极管构成的全桥和两只二极管构成的半桥。在高压整流中,还有多只二极管构成的整流堆。
二、二极管的主要电参数
普通二极管的主要性能参数:最大整流电流IFM;最高反向工作电压(常称耐压)VM;反向
FMM
电流IR;最咼工作频率fM等
发光二极管:正向电压降VF;最大电流IM;最大功率PM等。
:稳压电压VZ;最大工作电流IM;动态电阻ro;最大功率PM等。
三、万用表检测二极管
(1)判二极管好坏用万用表检测半导体二极管,就是检测二极管的单向导电性。将万用表掷于电阻挡(一般选用
RX100或RX1K挡),两表笔分别接触二极管的两管脚(),测出一个阻值,交换表笔再测一次,又测出一个阻值。对于一只正常的二极管,一次测得电阻值大,一次测得电阻值小,测得阻值较小的一次,与黑表笔相接的电极为二极管的正极。同理,在测得阻值较大的一次中,与黑表笔相接的一端为二极管的负极。如果两次都测得的电阻很小,说明二极管内部短路;若两次都测得电阻值很大,则说明管子内部断路。在这两种情况下说明二极管已损坏。若两次测得阻值相差不大,说明管子性能很差,也不能使用。
图1-19测二极管正反向电阻
(a)正向电阻小(表针偏转犬)(b)反向电阻犬(表针偏转小)
通常小功率锗二极管的正向电阻值为几百欧以上,硅管的正向电阻在几千欧或更大些。锗管的反向电阻为几十千欧,硅管反向电阻在几百千欧以上(几乎为无限大)。大功率二极管的正反向电阻数值比小功率二极管都要小得多。但有一点是相同的,对于一只二极管而言,反向电阻与正向电阻值的比值越大越好。
对于小功率二极管的正负极,常在二极管的一端用色环标示出负极,塑封用白色环,玻璃封装用黑色(或其它色)标示负极。
(2)判硅、锗二极管
一种方法是做一个简单电路,,串一个1KQ电阻,同时将二极管的正极与电池的正极一端相接,使二极管处于正向导通,这时用万用表测量二极管两端的管压降,〜,〜。若二极管在路时也可用此法进行判断。也可以用锗管的正向电阻比硅管的正向电阻小进行粗略的判别。
(LED)的检测
发光二极管常作为仪器仪表、家用电器的指示器,红外遥控等。当发光二极管加上合适的正向电流时,不同的发光二极管便可发出不同颜色的光来(激光二极管也是发光二极管的一种),发光颜色与发光二极管的材料有关,发光强度与正向电流成正比。
发光二极管的正向阻值比普通二极管正向电阻大,一般在十千欧的数量级,反向电阻在500KQ以上。并且发光二极管的正向压降比较大,用万用表RX1K以下各挡,,不能使发光二极管正向导通和发出光来。一般用RX10K挡(内部电池是9伏或更大)进行测试,这样可测出正向电阻,同时可看到发光二极管发出微弱的光。若测得正、反向电阻都很小,说明内部击穿短路。若测得正、反电阻都是无限大,说明内部开路。由于LED数码管也是由发光二极管组成,所以用这个方法可检查LED数码管。
发光二极管从外观上看,正极引脚比负极长。
。
种类
参数■■■■■■■■■
正向压降vf(伏)工作电流I(mA)最大工作电流Ifmax
磷***化镓
发光二极管
〜
10
50
磷化镓
发光二极管
10
50
发光二极管在使用中,为了使发光二极管正常发光,必须加上合适的工作电流,同时要保证不超过其最大允许耗散功率。
稳压二极管的检测一般用万用表的低阻挡(RX1K)以下测量稳压二极管时,,。,不能使稳压二极管反向击穿,测得稳压二极管正、反向电阻与普通二极管一样。若用高阻挡测,也有计算的麻烦。可用一电路进行测试,。在面包板上接好电路,实验室的直流电源输出电压都是连续可调,将电源电压从小到大缓慢调高,观察电压表的值,当达到电源电压升高时而电压表所指示电压不再升高时,这个电压就稳压管的稳压电压VZ。注意选取合适的限流电阻R(—般选几KQ)。为了避免电流过大而损坏稳压管,可在电路中串入一毫安表。
P-
万用表直疣电压挡
图1-20稳压二极管稳压值的测试
,光电二极管的特点是正向电阻不随光照强弱变化,约为几千欧。而反向电阻则随光照变化,无光照阻值很大(几百千欧),当随光照增强时,反向电阻随之减小。万用表调至电阻挡(RX1K),表笔接于二极管两端,用手挡光线进行测试,反向电阻有非常明显变化。
+.
A4\:
r
0
1°二Id
取整流
0
的,
任务三:直流稳压电源的组成(2课时)
一、晶体二极管整流电路整流:把交流电转换成直流电过程称为整流。二极管单相整流电路可分为:半波整流、全波整流(变压器中心抽头式与桥式)、倍压整流。
单相半波整流电路o
(1)工作原理:Vda
脉动直流电:大小波动,方向不变的电压和电流。_
半波整流电路:这种除去半周、图下半周的整流方法,叫半波整流不难看出,半波整说是以"牺牲"一半交流为代价而换
低(计算表明,整流得出的半波电压在整个周期内的平均值,即负载上的直流电压vL=)因此常用在高电压、小电流的场合,而在一般无线电装置中很少采用。
(2)负载和整流二极管上的电压和电流:
相关公式:VL=
IL=VL/RL=
IV=IL
%=小2
选用条件:二极管允许最大整流电流IFM应大于流过二极管的实际电流Iv
二极管最高反向工作电压VrM=(1/3〜1/2)击穿电压
桥式整流电路
(1)工作原理: