毕业设计-矿用本安直流电源的设计(编辑修改稿)

毕业设计-矿用本安直流电源的设计(编辑修改稿)内容摘要：

支路，一是由 两个 490欧姆的电阻 组成的 负载 分压 电路 接到晶体三极管 Q5 的发射极上 ， 经过该条分压支路得到的电压比 输入的直流电源略小一些； 二是由两个 IN4007（最大整流电流为 1A)型号的 二级管 D D5 串联 组成的电路 接到晶体三极管 16 Q5 的基集上 ， 由于二极管的单向导电性，而 输入的直流电源又远远大于二极管的开启、导通电压，所以 此时两个二极管导通，而经过两个二极管的这条支路电压基本没什么变化。 此时根据各个点的电位可以判断出 UBEUon（ ） ,UCEUBE,根据晶体三极管的输出特性曲线可知 晶体三极管 Q5 处于放大状态。 经过两个二极管的这条支路向下经过一个 1 千欧姆的 负载分压电阻 R14 然后接到 晶体三极管 Q6 的集电极上，从 输入的 12V(也可是其他数值）直流电源 接入的另外一条支路经过由两个分压电阻 1 千欧姆的R16和 490 欧姆的 R15 组成的串联电路接到 晶体三极管 Q6 的的基集上，而 晶体三极管 Q6的发射极接地，电位为 ， Q6 也满足 UBEUon（ ） ,UCEUBE，处于放大状态。 从 R14 引出的一端接到 晶体三极管 Q7 的集电极上， Q7的发射极接地，由于 47uf电容 C2 的作用， Q7 延迟导通，当电路接通时，先给电容充电， C2充电完成后， Q7 才导通。 当电路出现故障断电时，电容放电，给电路提供电源 ，能实现断电保护功能。 从 输入的 12V(也可是其他数值） 直流电源 接入一条支路经一 10 千欧姆的负载电阻 R20 接到了 晶体三极管 Q8 的基集上，从 R17 出来分成了两条路，一条接 12V的稳压管，另一条支路接到了 晶体三极管 Q8的集电极上，而根据电路图可以看出 晶体三极管 Q8 发射极的电位是可以准确算出来的。 输入的 12V(也可是其他数值） 直流电源 经过两个分压电阻 470 欧姆的 R9 和 千欧姆的 R11 组成的串联电路直接接 17 地，根据分压原理有： UE= （ +） *12V=， Q8 也满足处于放大状态的条件。 稳压电路的设计 经过双重过压过流保护电路得到的电压可能有一些 纹波 ，为了保证电源的质量经过双重保护电路得到的电源必须要经过稳压电路进行稳压获得较为干净稳定的直流电压信号将其作为系统的直流电源输出。 本次设计的稳压电路原理比较简单， 由于稳压管的稳压效果不错，设计 采用了两个稳压管并联的方式，电路既 简单，又实现了稳压功能。 稳压电路图所下图 33 所示。 D712 V D812 V GND 图 33 稳压电路图 稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管， 简称稳压管， 它的电路符号是 :。 稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定的功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现 18 出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。 稳压管的伏安特性 稳压二极管的伏安特性与普通二极管相类似，如图 34 所示，正向特性为指数曲线。 当稳压管外加反向电压的数值大到一定程度时则被击穿，击穿区的曲线很陡，几乎平行于纵轴，表现其具有稳压特性。 只要控制反向电流不超过一定值，管子就不会因过热而损坏。 图 34 稳压管的伏安特性曲线 稳压二极管 (又称 齐纳二极管 )： 是一种专门工作于反向 (崩溃， Breakdown)区域的二极管，如有一适量的电流流经此二极管，则其两端点间产生一固定不变的电压，名 19 为：”稳压电压”，由于其电压稳定，故被广泛用于稳压电路或用作参考电压源。 本次设计的稳压电路就是利用了稳压管良好的稳压特性。 电路符号和曲线图 35所示 ： 图 35 稳压管的等效电路图 稳压电路的稳压原理： 经过 两级 过压过流保护电路得到的 直流 电源 再 经过 由 两个 12V的 稳压管 D D8 并联 组成的 稳压电路 ，由稳压管的特性可知 稳压管 两端点间产生一固定不变的电压 ，电压稳定，而输出电压与 12V 相近，实现了稳压效果， 即可得到理想的直流 电源，随后本安输出。 开关控制电路的设计 由于本质安全型电源在煤矿井下特殊的工作环境 ,必须要求绝对的安全， 而 指示灯 外在 表现比较明显，工作人员可以根据指 20 示灯的亮灭来判断电路的工作状态。 本次设计用到了两个发光二级管作为两个指示灯，即红色发光二级管和绿色发光二级管。 其中，绿色发光二级管为电源指示灯，红色发光二级管用来判断电路的工作状态，红色发光二级管的亮灭是由灯控开关实现控制的。 开关控制电路的设计电路图如下图 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 图 36 开关控制电路设计图 电源指示灯绿色发光二级管一般情况下一直处于亮的状态。 红色发光二级管的亮灭状态和电路的工作状态和灯控开关的是否闭合有关，当灯控开关闭合时，如果一二级过压过流保护电路处于正常工作状态，绿色发光二级管处于亮的状态，如果一二 级过压过流保护电路出现工作异常时，绿色发光二级管不亮。 当灯 21 控开关断开时，不论电路是否工作，绿色发光二级管始终处于不亮状态。 1 发光二级管 发光二极管简称为 LED。 由镓（ Ga）与砷（ AS）、磷（ P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。 在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。 发光二级管的发光颜色决定于所用材料，目前只有红、绿、黄、橙等色，可以制成各种形状，如长方形、圆形等。 磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光 ，本次设计 用到了红色发光二级管和绿色发光二级管。 如下图 下图 37 所示 为发光二级管的符号。 图 37 发光二级管符号 22 发光二级管也具有单向导电性，只有当外加的正向电压使得正向电流足够大时才发光，它的开启电压比普通二极管的大 .红色的在 ，绿色的约为 2V。 正向电流愈大，发光愈强。 使用时，应特别注意不要超过最大功耗、最大正向电流和反向击穿电压等极限参数。 发光二级管因其驱动电压低、功耗小、寿命长、可靠性高等优点广泛应用于显示电路中。 2 开关控制电 路的控制原理 由 开关控制电路 的设计电路图可以看出来，由于 输入的 12V(也可是其他数值） 直流电源 的直接作用电源指示灯绿色发光二级管LED1 一直处于亮的状态，而 红 色发光二级管 LED2 的状态和灯控开关 J1 的断开闭合有关。 开关控制 电路的控制原理是：从电阻 引出的支路分别经过12V 的稳压管 接到控制开关 J1 上。 （ 1）当灯控开关 J1闭合时 ，晶体三极管 Q9的集电极接地，此时 Q9 满足导通条件，处于放大状态， Q9的集电极经一 1 千欧姆的电阻接到晶体三极管 Q10 的基集上， Q10 的发射极接地， Q10也导通， 红色发光二级管 LED2 中有电流通过，导通，发光。 （ 2） 当灯控开关 J1断开时，晶体三极管 Q Q10均截止， 红色发光二级管 LED2 始终处于熄灭状态。 整体设计电路图 将各个设计模块组合起来就构成了整体设计电路图，如下图 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 图 38 矿用本安直流电源整体设计电路图 整个设计电路的工作原理是： 输入的 12V(也可是其他数值） 直流电源 先经过两级过压过流保护电路，通过控制晶体三极管的通断来控制电路，得到安全的直流电源，从 R R17引出的线分别接12V 的稳压管，然后接入灯 控开关控制电路， 工作人员可以根据等的亮灭来判断电路的工作状态 ；输出的直流电源经由两个 12V的稳压管并联组成的稳压电路，由稳压管的特性可知 稳压管 两端点间产生一固定不变的电压 ，电压稳定，而输出电压与 12V 相近，实现了稳压效果， 得到稳定的直流电压最后接 1 千欧姆的负载电阻本安输出。 第四章 矿用本安直流电源设计电路的仿真实验 由于本次设计的电路相对比较复杂，由几个功能模块组成，为了简化 仿真实验，和电路设计一样 ，按照先模块仿真 实验 ，再总体仿真 实验 的思路进行调试仿真。 因此， 和电路的设计一样将模块仿真 实验 可 分为三块 分别进行 ，即，过压过流保护电路的仿真 实验 ，稳压电路的仿真 实验 ，开关控制电路的仿真 实验 ，模块仿真实验分别成功后，最后 再 进行整体设计电路的仿真 实验。 实验时为了更仔细的分析电路 一定 要 每隔一个器件就用示波器观察一次波形， 根据电压波形的变化 分析接入 的 每一个器件的功能。 本次的仿真实验用到的仿真软件是 Multisim 7， Multisim 7是 EWB（ Electronics Workbench）的产品，该软件简单易学，实 25 验结果明显，完美的实现了硬件设计软件化。 下面对 Multisim进行简单的介绍。 Multisim 仿真 软件 Multisim 是 Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以 Windows 为基础的仿真工具，适用于板级的模拟 /数字电路板的设计工作。 与其他 Windows 环境下的系统软件相类似，它具有图形化界面，提供按钮式的工具栏，各个菜单中各个选项的物理意义一目了然，在输入原理图时，自动的将其编辑成网络表送到仿真器，加快建立和管理的时间；而在仿真过程中，若改变设计，则立刻获得该变化所带来的影响，实现了交互化的设计 和仿真。 Multisim 具有庞大的原器件模型参数库和齐全的仪器仪表库，它 除了 包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力，还包含了万用表、信号发生器、示波器、频谱分析仪、网络分析仪、失真分析仪、频率计、逻辑分析仪、逻辑转换仪、波特图仪、瓦特表等 18 种虚拟仪器仪表。 为适应不同的应用场合， Mult。