二极管稳压电源设计与调试详解
二极管稳压电源设计与调试详解
二极管稳压电源是一种常见的电子电路，广泛应用于各种电子设备中。本文将详细介绍二极管稳压电源的设计任务分析、理论计算、硬件电路设计、仿真调试以及实物制作与测试的全过程。通过本文的学习，读者可以深入了解二极管稳压电源的工作原理和设计方法。
一、设计任务分析
二极管稳压电源的功能要求：
- 具有输入反接保护；
- 具有输入、输出指示；
- 具有稳压功能。
二极管稳压电源的技术要求：
- 输入电压9-11V变化，输出电压稳定在5.1V 不变；
- 输出负载电阻从1K 到 100K变化，输出电压稳定在5.1V 不变。
二、理论分析与计算
根据技术要求可知，电路要求具有输入反接保护，所以需要在电源输入端接入一个正向导通的二极管VD，此处取硅二极管，导通压降0.7V，根据以上要求选择二极管型号为1N4007，查看数据手册可以得到，1N4007的理想情况下正向导通压降为1V，整流电流为1A。
据技术要求可是，输入电压要求9-11V，由之前二极管选型可是二极管理想导通压降为1V，所以在电路中的TEST1处的电位为8-10V，由结构框图可知，输入指示需要有一个限流电阻R2和一个绿色发光二极管LED1组成。选择绿色发光二极管LED1，确定封装为0603，最终确定型号为MHT192DUGCT，查看数据手册，发现其正向电压(VF)为2.3V~2.8V，正向电流为5mA，正向使用电流(极限参数) IF=25mA。实际测得发光二极管两端电压为2.5V。
绿色发光二极管LED1实际电压为2.5V，正向电流为5 mA, 正向使用电流(极限参数) IF=25mA。因为TEST1处的电位为8-10V，所以R1两端的电压为5.5V-7.5V。
取绿色发光二极管LED1的正向使用电流(极限参数) IF=25mA，求极限限流电阻R1，可得当电压为5.5V的时候，电阻为220Ω，当电压为7.5V的时候，电阻为300Ω。所以R1的取值必须大于220Ω。
取绿色发光二极管LED1的正向电流为5 mA，求极限限流电阻R1，可得当电压为5.5V的时候，电阻为1.1kΩ，当电压为7.5V的时候，电阻为1.5kΩ。所以R1的取值必须小于1.5kΩ。
综上所述，限流电阻R1的范围为220Ω-1.5kΩ。所以限流电阻R1可以取1 kΩ，选择封装为0603，最终确定型号为RC0603FR-071KL，查找数据手册，可得电阻类型为碳膜电阻，阻值为1kΩ，精度±1%。
根据技术要求可得，需要输出电压稳定在5.1V，所以稳压二极管的稳压值为5.1V，根据选型确定稳压二极管的型号MMSZ5231B。查找数据手册可得稳压二极管的稳压值为5.1V，反向电流为2uA，稳压的最小电流Izmin=1mA，正常工作电流Izt=5mA。
由结构框图可知，输出指示需要有一个限流电阻R3和一个红色发光二极管LED2组成。因为稳压二极管处于稳压状态所以TEST2的电压为5.1V，选择红色发光二极管LED2，确定封装为0603，最终确定型号为NCD0603R1，查看数据手册，发现其正向电压(VF)为1.6V~2.6V，正向电流为5mA，正向使用电流(极限参数) IF=25mA。
实际测得红色发光二极管两端电压为1.87V，TEST2处的电位为5.1V，正向电流为5 mA, 正向使用电流(极限参数) IF=25mA。所以R3两端的电压为3.23V。
取红色发光二极管LED2的正向使用电流(极限参数) IF=25mA，求极限限流电阻R3 =129.2Ω。
取红色发光二极管LED2的正向电流为5 mA，求极限限流电阻R3，得R3=646Ω。
综上所述电阻R3的范围为129.2Ω-646Ω之间，所以限流电阻R3可以选择为360Ω,确定封装为0603，可得限流电阻R3的型号为0603WAF3600T5E，查找数据手册，可得电阻类型为厚膜电阻，阻值为360Ω，精度±1%。
电路中的TEST1处的电位为8-10V，TEST2处的电位为5.1V，所以R2两端的电压为2.9-4.9V。所以RL两端的电流范围为为0.051-5.1mA，R3两端电压范围为3.23V，由上述确认R3的电阻为360Ω，所以R3两端的电流为8.97mA，要使稳压二极管正常工作，其电流必须大于最小稳压电流Izmin，小于最大稳压电流Izmax，所以其工作电流为1 mA -10 mA，所以R2两端的电流范围为10.21mA-24.07 mA，R2两端的电压为2.9-4.9V，所以电阻范围为49.2Ω-479.9Ω，因为考虑到R2与RL的分压，所以R2尽可能往小取，所以R2取240Ω，确定封装为0603，最终确定型号为0603WAF2400T5E，查找数据手册，可得电阻类型为厚膜电阻，阻值为240Ω，精度±1%。
三、硬件电路设计
输入电源：给二极管稳压电源电路提供一个电压，使输入在9-11V可调。
输入反接保护电路：由整流二极管VD组成，将二极管VD正向接入电路中，二极管VD导通，当输入反接时二极管VD出于反向截止状态，起到输入反接保护。
输入指示电路：由限流电阻R1和发光二极管LED1组成。限流电阻R1，限制发光二极管LED1的电流，使其正常工作。发光二极管LED1为输入指示，当电源正常供电的时候，输入指示的灯就会发光。
二极管稳压电路：由限流电阻R2和稳压二极管D2组成。限流电阻R2的大小决定了稳压二极管D2是否处于稳压状态，决定了稳压二极管D2是否工作，也对稳压二极管D2起到了限流保护。稳压二极管D2在稳压状态下，使输出电压稳定在5.1V。
输出指示电路：由限流电阻R3和发光二极管LED2组成。限流电阻R3，限制发光二极管LED2的电流，使其正常工作。发光二极管LED2为输出指示，当负载电阻调至0时，输出指示电路的发光二极管LED2熄灭，当负载正常工作时，发光二极管LED2正常发光。
四、仿真调试
五、实物制作与测试
1. 检测仪器
万用表
2. 检测步骤
通电前检测
一、外观检查
- 元件外观：
- 仔细观察二极管、电阻、电容等元件，确保它们没有明显的物理损坏，如破裂、缺口、烧焦痕迹等。
- 检查二极管的封装是否完好，引脚是否笔直且无折断现象。
- 对于电阻，查看色环是否清晰可辨，以确保能准确识别其阻值。
- 电容的外壳应无鼓包、漏液等异常情况。
- 焊接质量：
- 检查电路板上的焊接点，应饱满、光滑，无虚焊、假焊、冷焊等问题。虚焊可能导致接触不良，影响电路性能甚至引发故障。
- 确认元件的引脚与焊盘之间的连接牢固，没有松动或脱落的迹象。
- 检查焊接点周围是否有多余的焊锡球或锡渣，以免造成短路隐患。
二、电阻测量
- 二极管电阻测量：
- 使用万用表的二极管测试档或电阻档来测量二极管的正反向电阻。正常情况下，二极管正向电阻较小，反向电阻很大。
- 对于稳压二极管，正向电阻一般在几十欧姆到几百欧姆之间，反向电阻应在数千欧姆以上甚至无穷大。如果正反向电阻都很小或都很大，说明二极管可能损坏。
- 电阻阻值测量：
- 用万用表的电阻档测量电路中的各个电阻，将测量值与设计值进行对比。如果偏差较大，可能是电阻损坏或安装错误。
- 注意在测量时，要将电阻从电路中分离出来，以免受到其他元件的影响。
三、电容检查
- 极性检查：
- 对于有极性的电解电容，检查其极性是否正确安装。通常电解电容的外壳上会有明显的正负极标识，在电路板上也应对应正确连接。
- 如果极性安装错误，电容可能在通电瞬间损坏，甚至引发安全问题。
- 电容值测量：
- 对于一些关键的电容，可以使用电容测试仪或带有电容测量功能的万用表来测量其电容值。将测量值与标称值进行比较，判断电容是否在正常范围内。
- 如果电容值偏差较大，可能会影响电路的性能。
四、电源检查
- 电源极性：
- 检查电源的正负极连接是否正确。特别是在使用电池或外接电源适配器时，要确保电源的极性与电路要求一致。
- 错误的电源极性连接可能会损坏电路中的元件。
- 电源电压：
- 使用万用表的电压档测量电源的输出电压，确保其符合电路设计要求。
- 如果电源电压过高或过低，都可能导致电路无法正常工作或损坏元件。
五、整体电路连接检查
- 原理图对照：
- 对照电路原理图，仔细检查电路中各个元件的连接是否正确。确保每个元件都连接到了正确的位置，没有漏接或错接的情况。
- 特别注意二极管的极性、电容的正负极以及电阻的阻值和连接位置。
- 短路检查：
- 使用万用表的电阻档或蜂鸣档，检查电路中是否存在短路现象。将万用表的表笔分别接触电路中的不同节点，如果读数为零或发出蜂鸣声，说明存在短路。
- 短路可能是由于焊接不良、元件损坏或连接错误等原因引起的，必须在通电前排除。
通电调试
一、准备工作
- 再次检查电路连接是否正确，确保所有元件安装牢固，没有松动或接触不良的情况。
- 确认电源电压与电路设计要求相符，并且电源的正负极连接正确。
- 准备好测量工具，如万用表等。
二、测量关键参数
- 使用万用表测量稳压二极管两端的电压。正常情况下，这个电压应该接近稳压二极管的稳压值。
- 因为技术报告要求电压调准率，所以测量电路中其他关键节点的电压，如输入电压、输出电压等，与理论值进行对比，检查是否在合理范围内。当输入电压为分别为9V,11V的时候，去测输出的电压的值。
- 因为技术报告要求电阻调准率，所以对于有负载要求的电路，可以逐渐增加负载，观察输出电压的稳定性。当负载在极限值1K和100K的时候，测输出电压。
三、使用万用表测电压值
1.观察
输入电压和输出电压的值，检查是否达到稳压
- 测试结果分析
（测试当输入电压变化或者负载变化时，稳压电源的输出变化，并分析）
测出数据当输入电压为9V的时候测出1K和100K,当输入电压为11V的时候测出1K和100K。
所以计算可得，电压调整率和负载调整率均小于1%。
3 思考测试分析
（如果输出负载电阻是100欧姆，这个时候输出电压是多少？能否稳定在5.1V？为什么？）
当输出负载为100Ω的时候，输出电压约为4.1-5.0V左右，因为稳压二极管限流电阻的分压，所以在负载端并不能得到稳压值，所以稳压二极管处于截止状态，所以电压只是负载和稳压二极管的限流电阻的分压，如果需要在输出负载为100Ω的时候达到稳压，那就需要调小电阻阻值，以满足稳压值。
六、总结与体会
理论分析计算所得结果处于理想状态，往往忽略了众多环节因素。理论计算与仿真在一定程度上与实物测试存在较大差别，这是由于实际情况中会受到诸多动态参数的影响，从而导致实际参数存在误差。例如，在理论仿真时数值在 5.1V 上下浮动，而实际情况中却是在 5.15V 浮动。因此，在开展下一个项目时，必须充分考虑实际情况，不能完全依据理论进行操作。