直流穩壓電源理實一體化教法改革創新研究

王兆欣，李井泉，湯艷坤，李君，翟艷男

（空軍航空大學航空基礎學院，吉林長春，130022）

1 直流穩壓電源的組成及各部分作用

直流穩壓電源是由整流變壓器、整流電路、濾波器、穩壓環節四個部分構成。結構如圖1所示。各個部分的作用如下。

整流變壓器：將交流電源電壓變換為符合整流需要的電壓。

整流電路：將交流電壓變換為單向脈動電壓。其中的整流元件(晶體二極管或晶閘管)所以能整流，是因為它們都具有單向導電的共同特性。

濾波器：減小整流電壓的脈動程度，以適合負載的需要。

穩壓環節：在交流電源電壓波動或負載變動時，使直流輸出電壓穩定。

2 理實一體化的教法改革創新

在以往的教學過程中，都是教師理論授課，講原理、學分析、會計算是教學目標，但是這樣被動的接受知識，學生只是停留在理論分析的層面，對實際的直流穩壓還是一無所知，甚至拆開一個電源都看不懂，不認識。為了打破這種學習的壁壘，以任務驅動式教學方式為載體，采用設計實際電路，并利用口袋實驗室課堂上觀察輸出波形的手段，達到理論和實踐的最佳結合，培養學生的動手實踐能力和科研創新能力。

圖1 直流穩壓電源的結構

實驗室是我們為學生提供接觸真正實驗設備、分析真實數據、體驗觀察奇妙現象的平臺。但是受到實驗室硬件條件的限制，無法滿足所有的學生在同一時間到實驗室上課，有無法把實驗室搬到教室里，因此口袋實驗室的應用解決了這一問題。它的功能就像是把實驗室中的信號源、示波器等實驗儀器搬到了理論學習的現場，學生通過它可以實時的觀察實驗現象、測量實驗數據，不再將抽象的理論瓶頸帶到課下解決，實現了理論和實踐的最有效的結合，提高了學習的效率。

3 直流穩壓電源的設計和實踐

任務要求：設計完成一個220V/交流變成5V/直流的穩壓電源。

所需器材和元器件：口袋實驗室、變壓器、二極管（4個）、電 阻（10kΩ、47kΩ）、電 容（1uF、100uF、1000uF、104）、7805三端集成穩壓器。如表1所示。

在設計過程中，用口袋實驗室觀察各個部分的輸出波形。

（1）變壓器

對于變壓器部分，布置任務，觀察變壓器的參數，輸出電壓UO為多少？計算功率為多少？用萬用表測量變壓器的空載輸出電壓UOC為多少？

注意對比：理論計算的輸出電壓和實際輸出電壓的差異。

表1 實驗器材和元器件列表

（2）橋式整流電路的輸出波形

在課前布置任務的時候，引導學生思考能不能用一只二極管實現整流目的，給出方案，并與橋式整流電路進行對比分析。

圖2 單向半波整流電路

圖3 單向橋式整流電路

圖4 橋式整流電路實物圖

圖5 橋式整流電路輸出波形圖

（3）濾波電路的輸出波形

在輸出端并聯一個電容。試四個值，1uF、10uF、100uF、1000uF。觀察輸出波形的變化。電容越大，輸出波形越平滑。電容濾波電路中選取不同的電容時的濾波效果如圖6所示。

圖6 電容濾波后的波形圖

（4）穩壓電路

三端集成穩壓電源具有體積小、可靠性高、使用靈活、價格低廉等優點。現主要討論的是W7800系列（如圖7所示）(輸出正電壓)和W7900系列(輸出負電壓)穩壓器的使用。這種穩壓器只有輸入端1、輸出端2和公共端3三個引出端，故也稱為三端集成穩壓器。使用時只需在其輸入端和輸出端與公共端之間各并聯一個電容即可。iC用以抵消輸入端較長接線的電感效應，防止產生自激振蕩，接線不長時也可不用。CO是為了瞬時增減負載電流時不致引起輸出電壓有較大波動。Ci一般在0.1～1μF之間，如0.33μF；CO可用1μF。W7800系列輸出固定的正電壓有5V，8V，12V，18V，24V多種。例如W7815的輸出電壓為15V；最高輸入電壓為35V；最小輸入、輸出電壓差為2～3V ；最大輸出電流為2.2A；輸出電阻為0.03～0.15Ω；電壓變化率為0.1%～0.2%。W7900系列輸出固定的負電壓，其參數與W7800系列基本相同。使用時三端穩壓器接在整流濾波電路之后。在使用時應注意輸入和輸出電壓相差不得小于2V，一般在5V左右，即在使用7805時，輸入電壓應在7～10V左右。

圖7 W7800系列穩壓器

4 電路總結和改進

7805的輸入電壓和輸出電壓壓差太大。會導致什么問題？效率低，很多能量消耗在芯片內部了。一般，這個電壓3 V就可以。怎么處理呢？把變壓器的輸出電壓降低。第二，再往前推，到變壓器。它的功率是5W。假設7805的輸出能夠達到1A，輸出功率也是5W，此時出現什么問題？變壓器超過了最大功率，長時間工作時可能會燒掉。