三端集成穩(wěn)壓電源的布焊及故障分析

曹建建++王紅敏++程婕

摘 要： 三端集成穩(wěn)壓電源是大學(xué)必修課《電裝實(shí)習(xí)》課程的重要內(nèi)容之一。根據(jù)已有的電裝教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，分析三端集成穩(wěn)壓電源的基本工作原理，介紹穩(wěn)壓電源的布焊過程和測試過程，詳細(xì)介紹學(xué)生在完成穩(wěn)壓電源后可能出現(xiàn)的各種故障，并提供了切實(shí)有效的解決方法。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，這些過程進(jìn)一步提升了學(xué)生的電路原理分析能力、儀器設(shè)備（示波器、萬用表）在實(shí)際電路測試中的操作和使用能力，提高了實(shí)習(xí)效率，也為電子組裝愛好者提供了解決此類問題的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 電裝實(shí)訓(xùn)； 三端集成穩(wěn)壓電源； 電路板布焊； 故障分析

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0141?03

電裝實(shí)習(xí)是本著面向電子產(chǎn)品制造業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型、實(shí)踐型、技能型的人才目標(biāo)開設(shè)的，它為更好地學(xué)習(xí)后續(xù)課程，特別是相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等積累初步知識和技能，并為今后從事電子產(chǎn)品制造工程技術(shù)工作奠定良好的基礎(chǔ)[1]。大學(xué)中的電裝實(shí)習(xí)大多數(shù)是以組裝收音機(jī)為主，組裝的過程基本是照書焊接，一步一步去完成，完成后學(xué)生甚至連部分元器件都不認(rèn)識，導(dǎo)致學(xué)生自主學(xué)習(xí)和思考的時間較少，也沒有合理應(yīng)用電子儀器，學(xué)習(xí)不夠全面，不能達(dá)到預(yù)期的目的[2]。為了培養(yǎng)學(xué)生仔細(xì)認(rèn)真、勤于動腦、加強(qiáng)交流、注意觀察、培養(yǎng)科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)?，F(xiàn)將如何在實(shí)訓(xùn)電路板上繪制出三端集成穩(wěn)壓電源實(shí)物裝配板圖，布排、裝配和焊接，以及發(fā)現(xiàn)問題，如何自行分析和排除并寫出分析報告，介紹如下。

1 三端集成穩(wěn)壓電源的工作原理

本電路由三端可調(diào)穩(wěn)壓集成電路LM317配置少數(shù)外圍元器件組成，內(nèi)部設(shè)有過流、過熱保護(hù)電路，具有調(diào)節(jié)范圍寬、電路簡單、穩(wěn)壓精度高的特點(diǎn)[3]。當(dāng)輸入電壓滿足條件時，輸出電壓從1.25～37 V連續(xù)可調(diào)。

1.1 原理分析

該穩(wěn)壓電源由四部分組成：電源變壓器，整流部分，濾波電路，穩(wěn)壓電路。電路原理圖及相應(yīng)的波形如圖1所示，市電經(jīng)過變壓器 B進(jìn)行電壓變換，使高電壓轉(zhuǎn)換為所需要的電壓值，經(jīng)過全橋Q整流后，將正弦信號變化為無極性變化的脈動電壓，脈動電壓經(jīng)C1、C2濾波后，電壓波形能夠更加平緩，經(jīng)過C2濾波后的電流進(jìn)入三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器LM317進(jìn)行穩(wěn)壓輸出。為了保證輸出電壓的穩(wěn)定，輸入電壓應(yīng)高于可調(diào)輸出最高電壓5 V。如把電位器換成固定電阻時，其輸出電壓為固定值。

圖1 三端集成穩(wěn)壓電源電路原理圖及相應(yīng)波形

1.2 元件分析

C2，C3作用為：防止穩(wěn)壓電源工作中由于分布電容的影響而引起的自激振蕩導(dǎo)致的工作不穩(wěn)定，尤其在輸出端接負(fù)載的導(dǎo)線較長時，C2，C3的作用顯得非常重要。全橋硅整流堆內(nèi)部采用4個整流二極管，已按橋式整流方式接好并封裝為一體，在它的封裝表面印有[4]輸入符號“～”和輸出符號“+”“-”。C1容量的大小和負(fù)載RL有關(guān)，一般取2RLC1≥（3～5）T。T為市電的周期，一般為[150]Hz。C1過小穩(wěn)壓電源輸出紋波系數(shù)太大，當(dāng)2RLC1>5T時，對紋波改善不大，成本卻會大大增加。

2 電路板圖的設(shè)計與布焊準(zhǔn)備

實(shí)訓(xùn)電路板是一種萬能板，可組裝任何簡單電路[5]。如圖2所示，粗線部分為銅箔，即可作為印刷導(dǎo)線，又可作為焊盤，起線路連接、元器件固定、引腳連接的作用。為了方便裝配，變壓器已提前固定在板子上。讓學(xué)生了解如何將電路原理圖線路連接關(guān)系轉(zhuǎn)化為印制板圖的實(shí)際元器件的連接關(guān)系，同時掌握電路印制板圖設(shè)計的最基本思想。

圖2 實(shí)訓(xùn)板

2.1 識別并檢測元器件

拿到元器件，對照圖3仔細(xì)清點(diǎn)種類及個數(shù)，牢記元器件的名稱、封裝特點(diǎn)，進(jìn)行元器件檢測判斷其好壞，對各元器件質(zhì)量用萬用表進(jìn)行檢測，需要測試的元器件有電橋Q、無極性電容C2、電解電容C1和C3，電位器R1、色環(huán)電阻R2。盡管電橋Q封裝表面印有輸入符號“～”和輸出符號“+”“-”，學(xué)生必須自己用萬用表再次驗(yàn)證。對電路板還應(yīng)進(jìn)行短路檢查。測試內(nèi)圈和外圈兩塊較長銅箔之間的阻值，判斷其是否短路，如果短路應(yīng)立即進(jìn)行排除。

圖3 三端集成穩(wěn)壓電源元器件封裝外形圖

2.2 電路板圖設(shè)計與繪制規(guī)則

將電路原理圖線路連接關(guān)系轉(zhuǎn)化為印制板圖，繪制在圖2相應(yīng)的位置，繪制規(guī)則如下：

（1） 電橋輸出正、負(fù)兩端分別選半包圍內(nèi)圈和外圈兩塊最長的銅箔。通常都是上“正”下“負(fù)”。

（2） 元器件按實(shí)物外形圖進(jìn)行繪制（見圖3），需要將管腳封裝位置和極性表達(dá)清楚。

（3） 除電位器外，不允許使用額外導(dǎo)線。電位器畫在板外并用導(dǎo)線與板內(nèi)銅箔相連。

（4） 元器件每個管腳單獨(dú)占用銅箔一部分位置，不要與其他管腳相碰，盡量選距離其最近的銅箔進(jìn)行連接，以縮短元器件管腳間的跨距。

（5） 元器件布排疏密均勻、有一定間隔。C2、C3應(yīng)盡量靠近穩(wěn)壓塊LM317。圖面要清晰，元器件引線盡量短。

3 裝配過程及測試

通過實(shí)際的裝配，以及相應(yīng)的測試環(huán)節(jié)，可以讓學(xué)生更明確地了解每一個元器件的作用，同時可以學(xué)習(xí)萬用表，以及示波器的使用，從而為以后的課程設(shè)計，畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)。

3.1 裝配與測試

為了能順利測出各點(diǎn)波形及電壓值，應(yīng)從變壓器開始每裝一個元件進(jìn)行一次萬用表測試，再進(jìn)行一次示波器測試，要注意示波器的使用和注意事項(xiàng)[6]。具體操作步驟如下：

（1） 用萬用表測量變壓器輸入/輸出電阻RB初、RB次。

（2） 用萬用表測量變壓器輸出電壓UB次；用示波器測量變壓器空載和加載輸出電壓波形，繪制電壓波形圖，記算并記錄變壓器輸出電壓峰峰值UB次和波形頻率fB次。

（3） 安裝電橋Q；用萬用表測量Q輸出電壓UQ；用示波器測試Q輸出電壓波形，繪制Q輸出電壓波形圖，記算并記錄電壓峰峰值UQ和波形頻率fQ。

（4） 安裝電解電容C1；用萬用表測量C1兩端電壓UC1；用示波器測量C1兩端電壓波形，繪制其輸出電壓波形圖，記算并記錄電壓峰峰值UC1和波形頻率fC1。

（5） 安裝電解電容C2 ；用萬用表測量C2兩端電壓UC2；用示波器測量C2兩端電壓波形，繪制其輸出電壓波形圖，記算并記錄電壓峰峰值UC2和波形頻率fC2。

（6） 安裝電解電容C3、電位器R1、色環(huán)電阻R2和集成穩(wěn)壓塊LM317；調(diào)整R1，用萬用表測量Uo的變化范圍并記錄；調(diào)整R1，用示波器測量Uo的變化范圍并記錄；調(diào)整R1，用萬用表測量當(dāng)Uo=3 V時，關(guān)掉電源，拆掉R1與電路板的連線，再測量R1的阻值。

Uo就是該穩(wěn)壓電源的輸出電壓，當(dāng)輸入電壓滿足條件時，輸出電壓為1.25～37 V連續(xù)可調(diào)。電位器位置不同時，能實(shí)現(xiàn)電壓可變。輸出電壓Uo應(yīng)滿足下式：

[Uo=1.251+R1R2+IADJR1]

IADJ是穩(wěn)壓器LM317工作時1腳所要維持的泄放電流[7]通常為50～100 μA。以上通過示波器測試的波形，應(yīng)與圖1中的波形趨勢基本相同。

3.2 裝配注意事項(xiàng)

（1） 元器件引線盡量不折彎，如果必須折彎，幅度盡量小，應(yīng)從元件封裝2 mm外折[8?9]，如圖4所示。

（2） 元件引腳直接與焊盤接觸焊接，不允許剪掉。

（3） 元器件布排疏密均勻、有一定間隔。避免管腳相碰造成短路，同時要便于測試。

（4） 裝配完一個元器件，應(yīng)對照原理圖檢查線路正確與否，然后用萬用表×100擋測試線路有無短路，特別是電橋輸出正、負(fù)兩端。

圖4 元器件裝配圖

3.3 測試注意事項(xiàng)

（1） 測試時，注意正負(fù)兩電源線不要碰線，以免發(fā)生意外，發(fā)生意外要立即拔掉插頭。

（2） 接通電源后，應(yīng)立即用手摸變壓器是否發(fā)燙，觀察有無元器件慢慢變黑或破裂等異常情況。發(fā)現(xiàn)這些情況，應(yīng)立即拔掉插頭，以防損壞元器件。

（3） 用示波器測量信號時，應(yīng)將芯線探頭接到電路中所要檢測的點(diǎn)處，旁邊地線帶鉤探頭接被測量電路的地，否則波形將倒置。用示波器測量波形每次測試應(yīng)在測試兩端接一個100 Ω的負(fù)載，使波形穩(wěn)定。

4 常見故障分析和排除

通過電裝實(shí)習(xí)課的實(shí)踐，檢查并鎖定故障點(diǎn)是故障排除的關(guān)鍵[10]。檢查電源的故障要不斷地參看圖1電路原理圖，按照電路物理網(wǎng)絡(luò)檢查、分析和排除，采用多種手段和方法進(jìn)行綜合。常見故障現(xiàn)象及處理辦法如下：

故障一：變壓器B噪聲大，過載發(fā)燙，無輸出。如果通電后變壓器B出現(xiàn)噪聲大的現(xiàn)象，一般都是變壓器鐵心松動造成的，重新緊固即可。過載發(fā)燙、無輸出，可能是初級線圈、次級線圈與變壓器外殼相碰、匝間線圈短路導(dǎo)致的，應(yīng)仔細(xì)檢查整理。

故障二：整流橋Q無輸出，輸出一半波形，輸出波很低。整流橋Q無輸出一般都是由整流橋多只二極管開路、整流橋輸出正負(fù)兩端短路造成的。輸出一半波形，說明整流橋2只以下二極管開路。輸出波很低，是接地不良、負(fù)載未加。

故障三：C2，C1無輸出，交流電壓幅度大，直流輸出電壓低無極性電容C2，電解電容C1無輸出，經(jīng)常是電解電容正負(fù)兩端短路；交流電壓幅度大可能是電容失效；直流輸出電壓低，可能是電解電容漏電。

故障四：裝配完成后，輸出電壓不可調(diào)，范圍不正確，電壓不穩(wěn)定，在裝配集成穩(wěn)壓塊LM317、電位器R1、色環(huán)電阻R2、電解電容C3后直流電壓不可調(diào)，是由于電位器R1損壞、接錯或開路、集成穩(wěn)壓塊LM317接錯或損壞造成的。直流電壓調(diào)整范圍不正確，原因可能是色環(huán)電阻R2 阻值不對、電位器R1損壞；直流電壓不穩(wěn)定，電位器R1內(nèi)部電刷接觸不良。

5 結(jié) 語

本文以小型電子產(chǎn)品電路試驗(yàn)為切入點(diǎn)，吸取工程設(shè)計實(shí)踐內(nèi)涵，淡化已熟悉的焊接裝配，強(qiáng)化電路板圖設(shè)計與繪制，進(jìn)一步提升學(xué)生電路原理分析能力、儀器設(shè)備（示波器、萬用表）在實(shí)際電路測試中的操作和使用能力以及故障分析和排除能力。如能深入進(jìn)行，經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的過程，定能提高學(xué)習(xí)興趣，提高理論與實(shí)踐水平[11]。在實(shí)訓(xùn)電路板上繪制出三端集成穩(wěn)壓電源實(shí)物裝配板圖并在實(shí)訓(xùn)電路板上進(jìn)行布排、裝配和焊接，如果發(fā)現(xiàn)問題，要求能夠自行分析和排除并寫出分析報告。除此之外，可推廣至其他小型電子產(chǎn)品試驗(yàn)。該內(nèi)容是為了使實(shí)訓(xùn)內(nèi)容豐富、促進(jìn)學(xué)生個人愛好發(fā)展而設(shè)置。在條件成熟時可與印制電路板制作相連，形成一個完整的設(shè)計、制造、裝配與調(diào)試過程。

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