畢業設計-礦用本安直流電源的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 支路，一是由 兩個 490歐姆的電阻 組成的 負載 分壓 電路 接到晶體三極管 Q5 的發射極上 ， 經過該條分壓支路得到的電壓比 輸入的直流電源略小一些； 二是由兩個 IN4007（最大整流電流為 1A)型號的 二級管 D D5 串聯 組成的電路 接到晶體三極管 16 Q5 的基集上 ， 由于二極管的單向導電性，而 輸入的直流電源又遠遠大于二極管的開啟、導通電壓，所以 此時兩個二極管導通，而經過兩個二極管的這條支路電壓基本沒什么變化。此時根據各個點的電位可以判斷出 UBEUon（ ） ,UCEUBE,根據晶體三極管的輸出特性曲線可知 晶體三極管 Q5 處于放大狀態。 經過兩個二極管的這條支路向下經過一個 1 千歐姆的 負載分壓電阻 R14 然后接到 晶體三極管 Q6 的集電極上，從 輸入的 12V(也可是其他數值）直流電源 接入的另外一條支路經過由兩個分壓電阻 1 千歐姆的R16和 490 歐姆的 R15 組成的串聯電路接到 晶體三極管 Q6 的的基集上，而 晶體三極管 Q6的發射極接地，電位為 ， Q6 也滿足 UBEUon（ ） ,UCEUBE，處于放大狀態。從 R14 引出的一端接到 晶體三極管 Q7 的集電極上， Q7的發射極接地，由于 47uf電容 C2 的作用， Q7 延遲導通，當電路接通時，先給電容充電， C2充電完成后， Q7 才導通。當電路出現故障斷電時，電容放電，給電路提供電源 ，能實現斷電保護功能。從 輸入的 12V(也可是其他數值） 直流電源 接入一條支路經一 10 千歐姆的負載電阻 R20 接到了 晶體三極管 Q8 的基集上，從 R17 出來分成了兩條路，一條接 12V的穩壓管，另一條支路接到了 晶體三極管 Q8的集電極上，而根據電路圖可以看出 晶體三極管 Q8 發射極的電位是可以準確算出來的。 輸入的 12V(也可是其他數值） 直流電源 經過兩個分壓電阻 470 歐姆的 R9 和 千歐姆的 R11 組成的串聯電路直接接 17 地，根據分壓原理有： UE= （ +） *12V=， Q8 也滿足處于放大狀態的條件。 穩壓電路的設計 經過雙重過壓過流保護電路得到的電壓可能有一些 紋波 ，為了保證電源的質量經過雙重保護電路得到的電源必須要經過穩壓電路進行穩壓獲得較為干凈穩定的直流電壓信號將其作為系統的直流電源輸出。本次設計的穩壓電路原理比較簡單， 由于穩壓管的穩壓效果不錯，設計 采用了兩個穩壓管并聯的方式，電路既 簡單，又實現了穩壓功能。穩壓電路圖所下圖 33 所示 。 D712 V D812 V GND 圖 33 穩壓電路圖 穩壓二極管是一種硅材料制成的面接觸型晶體二極管， 簡稱穩壓管， 它的電路符號是 : 。穩壓管在反向擊穿時，在一定的電流范圍內（或者說在一定的功率損耗范圍內），端電壓幾乎不變，表現 18 出穩壓特性，因而廣泛應用于穩壓電源與限幅電路之中。 穩壓管的伏安特性 穩壓二極管的伏安特性與普通二極管相類似，如圖 34 所示，正向特性為指數曲線。 當穩壓管外加反向電壓的數值大到一定程度時則被擊穿，擊穿區的曲線很陡，幾乎平行于縱軸，表現其具有穩壓特性。只要控制反向電流不超過一定值，管子就不會因過熱而損壞。 圖 34 穩壓管的伏安特性曲線 穩壓二極管 (又稱 齊納二極管 )： 是一種專門工作于反向 (崩潰， Breakdown)區域的二極管，如有一適量的電流流經此二極管，則其兩端點間產生一固定不變的電壓，名 19 為：”穩壓電壓”，由于其電壓穩定，故被廣泛用于穩壓電路或用作參考電壓源。 本次設計的穩壓電路就是利用了穩壓管良好的穩壓特性。 電路符號和曲線圖 35所示 ： 圖 35 穩壓管的等效電路圖 穩壓電路的穩壓原理： 經過 兩級 過壓過流保護電路得到的 直流 電源 再 經過 由 兩個 12V的 穩壓管 D D8 并聯 組成的 穩壓電路 ，由穩壓管的特性可知 穩壓管 兩端點間產生一固定不變的電壓 ，電壓穩定，而輸出電壓與 12V 相近，實現了穩壓效果， 即可得到理想的直流 電源，隨后本安輸出。 開關控制電路的設計 由于本質安全型電源在煤礦井下特殊的工作環境 ,必須要求絕對的安全， 而 指示燈 外在 表現比較明顯，工作人員可以根據指 20 示燈的亮滅來判斷電路的工作狀態。 本次設計用到了兩個發光二級管作為兩個指示燈，即紅色發光二級管和綠色發光二級管。其中，綠色發光二級管為電源指示燈，紅色發光二級管用來判斷電路的工作狀態，紅色發光二級管的亮滅是由燈控開關實現控制的。開關控制電路的設計電路圖如下圖 36 所示。 R191 0 . 0 k O h m _ 1 %Q9B C 1 0 8 B PR241 . 0 k O h m _ 5 %Q10B C 5 5 7 A PR251 0 k O h m _ 5 %R273 . 0 k O h m _ 5 %L E D 1L E D 2GNDJ10 . 5 s e c 1 s e c R263 . 0 k O h m _ 5 %VCC12V 圖 36 開關控制電路設計圖 電源指示燈綠色發光二級管一般情況下一直處于亮的狀態。紅色發光二級管的亮滅狀態和電路的工作狀態和燈控開關的是否閉合有關，當燈控開關閉合時，如果一二級過壓過流保護電路處于正常工作狀態，綠色發光二級管處于亮的狀態，如果一二 級過壓過流保護電路出現工作異常時，綠色發光二級管不亮。當燈 21 控開關斷開時，不論電路是否工作，綠色發光二級管始終處于不亮狀態。 1 發光二級管 發光二極管簡稱為 LED。由鎵（ Ga）與砷（ AS）、磷（ P）的化合物制成的二極管，當電子與空穴復合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數字顯示。 發光二級管的發光顏色決定于所用材料，目前只有紅、綠、黃、橙等色，可以制成各種形狀，如長方形、圓形等。 磷砷化鎵二極管發紅光，磷化鎵二極管發綠光，碳化硅二極管發黃光 ，本次設計 用到了紅色發光二級管和綠色發光二級管。 如下圖 下圖 37 所示 為發光二級管的符號。 圖 37 發光二級管符號 22 發光二級管也具有單向導電性，只有當外加的正向電壓使得正向電流足夠大時才發光，它的開啟電壓比普通二極管的大 .紅色的在 ，綠色的約為 2V。正向電流愈大，發光愈強。使用時，應特別注意不要超過最大功耗、最大正向電流和反向擊穿電壓等極限參數。發光二級管因其驅動電壓低、功耗小、壽命長、可靠性高等優點廣泛應用于顯示電路中。 2 開關控制電 路的控制原理 由 開關控制電路 的設計電路圖可以看出來，由于 輸入的 12V(也可是其他數值） 直流電源 的直接作用電源指示燈綠色發光二級管LED1 一直處于亮的狀態，而 紅 色發光二級管 LED2 的狀態和燈控開關 J1 的斷開閉合有關。 開關控制 電路的控制原理是：從電阻 引出的支路分別經過12V 的穩壓管 接到控制開關 J1 上。（ 1）當燈控開關 J1閉合時 ，晶體三極管 Q9的集電極接地，此時 Q9 滿足導通條件，處于放大狀態， Q9的集電極經一 1 千歐姆的電阻接到晶體三極管 Q10 的基集上， Q10 的發射極接地， Q10也導通， 紅色發光二級管 LED2 中有電流通過，導通，發光。 （ 2） 當燈控開關 J1斷開時，晶體三極管 Q Q10均截止， 紅色發光二級管 LED2 始終處于熄滅狀態。 整體設計電路圖 將各個設計模塊組合起來就構成了整體設計電路圖，如下圖 38 23 所示。 1D21 N 4 0 0 7 G P1D11 N 4 0 0 7 G PQ1B D 1 3 8R31 . 0 k O h m _ 5 %R41 . 0 k O h m _ 5 %R54 9 9 O h m _ 1 %Q2B C 1 0 8 B PR74 . 7 k O h m _ 5 %R101 0 k O h m _ 5 %Q3B C 1 0 8 B PR62 0 k O h m _ 5 %C24 7 u F Q4B C 5 5 7 A PD31 N 4 0 0 7 G PR81 0 . 0 k O h m _ 1 %R94 7 0 O h m _ 5 %R112 . 4 k O h m _ 5 %D41 N 4 0 0 7 G PD51 N 4 0 0 7 G PQ5B D 1 3 8R141 . 0 O h m _ 5 %Q6B C 1 0 8 B PQ7B C 1 0 8 B PR174 7 0 O h m _ 5 %R182 0 k O h m _ 5 %C14 7 u F D11 2 V D21 2 V R191 0 . 0 k O h m _ 1 %Q8B C 5 5 7 A PD61 N 4 0 0 7 G PR201 0 k O h m _ 5 %R211 0 k O h m _ 5 %R222 . 4 k O h m _ 5 %R234 7 0 O h m _ 5 %D71 2 V D81 2 V Q9B C 1 0 8 B PR241 . 0 k O h m _ 5 %Q10B C 5 5 7 A PR251 0 k O h m _ 5 %R273 . 0 k O h m _ 5 %L E D 1L E D 2GNDGNDGNDGNDGNDVCC12VGNDR281 . 0 k O h m _ 5 %R263 . 0 k O h m _ 5 %VCC12VJ1K e y = S p a c eR161 . 0 k O h m _ 5 %R14 9 9 O h m _ 1 %R24 9 9 O h m _ 1 %R124 9 9 O h m _ 1 %R134 9 9 O h m _ 1 %R154 9 9 O h m _ 1 % 24 圖 38 礦用本安直流電源整體設計電路圖 整個設計電路的工作原理是： 輸入的 12V(也可是其他數值） 直流電源 先經過兩級過壓過流保護電路，通過控制晶體三極管的通斷來控制電路，得到安全的直流電源，從 R R17引出的線分別接12V 的穩壓管，然后接入燈 控開關控制電路， 工作人員可以根據等的亮滅來判斷電路的工作狀態 ；輸出的直流電源經由兩個 12V的穩壓管并聯組成的穩壓電路，由穩壓管的特性可知 穩壓管 兩端點間產生一固定不變的電壓 ，電壓穩定，而輸出電壓與 12V 相近，實現了穩壓效果， 得到穩定的直流電壓最后接 1 千歐姆的負載電阻本安輸出。 第四章 礦用本安直流電源設計電路的仿真實驗 由于本次設計的電路相對比較復雜，由幾個功能模塊組成，為了簡化 仿真實驗，和電路設計一樣 ，按照先模塊仿真 實驗 ，再總體仿真 實驗 的思路進行調試仿真。因此， 和電路的設計一樣將模塊仿真 實驗 可 分為三塊 分別進行 ，即，過壓過流保護電路的仿真 實驗 ，穩壓電路的仿真 實驗 ，開關控制電路的仿真 實驗 ，模塊仿真實驗分別成功后，最后 再 進行整體設計電路的仿真 實驗 。實驗時為了更仔細的分析電路 一定 要 每隔一個器件就用示波器觀察一次波形， 根據電壓波形的變化 分析接入 的 每一個器件的功能。 本次的仿真實驗用到的仿真軟件是 Multisim 7， Multisim 7是 EWB（ Electronics Workbench）的產品，該軟件簡單易學，實 25 驗結果明顯，完美的實現了硬件設計軟件化。下面對 Multisim進行簡單的介紹。 Multisim 仿真 軟件 Multisim 是 Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以 Windows 為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬 /數字電路板的設計工作。 與其他 Windows 環境下的系統軟件相類似，它具有圖形化界面，提供按鈕式的工具欄，各個菜單中各個選項的物理意義一目了然，在輸入原理圖時，自動的將其編輯成網絡表送到仿真器，加快建立和管理的時間；而在仿真過程中，若改變設計，則立刻獲得該變化所帶來的影響，實現了交互化的設計 和仿真。 Multisim 具有龐大的原器件模型參數庫和齊全的儀器儀表庫，它 除了 包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，還包含了萬用表、信號發生器、示波器、頻譜分析儀、網絡分析儀、失真分析儀、頻率計、邏輯分析儀、邏輯轉換儀、波特圖儀、瓦特表等 18 種虛擬儀器儀表。為適應不同的應用場合， Mult