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课程设计
目录
1.内容摘要…………………………………………2
2.设计内容与要求…………………………………3
3.电路工作原理及分析…………………………3
4.主要芯片的技术参数…………………………12
5.组装与调试……………………………………13
6.设计总结………………………………………14
7.参考文献………………………………………15
8.致谢……………………………………………15
9.附录……………………………………………15
1)Protel原理图……………………………………16
2)PCB图………………………………………………17
3)元器件明细表…………………………………………18
内容摘要
在稳压电源中,负载电流要流过调整管,输出大电流的电源必须使用大功率的调整管,这就要求有足够大的电流供给调整管的基极,而比较放大电路供不出所需要的大电流,另一方面,调整管需要有较高的电流放大倍数,才能有效地提高稳压性能,但是大功率管一般电流放大倍数都不高。
解决这些矛盾的办法,是给原有的调整管再配上一个或几个“助手”,组成复合管。
并且有电路指示灯的指示功能,也要有短路保护功能,能做到可靠性好,稳定性好,纹波小,能够长时间工作等等。
本课题就是通过设计实现复合管放大兼具充电功能和有过流和限流保护作用的电源来了解和掌握一般稳压电源的设计和制作。
关键词:
复合管放大、充电电路、过流限流保护。
二设计内容要求
1.输出电压:
3V、6V两挡,正、负极性输出。
2.输出电流:
额定电流为150mA,最大电流为500mA。
3.额定电流输出时,△Vo/Vo≤10%.
4.具有快充和慢充两种方式对4节5号或7号电池充电。
慢充电流为50mA~60mA,快充电流为110mA~130mA.
三.电路工作原理及分析
整机电路由整流滤波电路、稳压电路和快慢充电电路组成。
3.1直流稳压电源设计思路
图1原理框图
稳压电路采用带有限流型保护电路的晶体管串联型稳压电路,电路设计的基本设计方案如下:
1..由于稳压电路输出电流Io>100mA,因此调整管应采用复合管。
2.通常提供基准电流的稳压管可以用发光二极管LED代替(一般工作电压约为2V)
兼做电源指示灯。
3.由于Vo为3V、6V两挡固定值,且不要求调整,因此可将取样电路的上取样电阻
4.设计为两个合适的值,用1×2波段开关进行转换。
5.输出端用2×2波段开关实现正负极性选择。
6.过载保护电路采用二极管限流型保护电路,且二极管用发光二极管LED代替,兼做过流指示灯使用。
3.2稳压电路原理图如图2所示。
图2稳压电路原理图
1确定输入电压V(整流滤波电路的输出电压)。
当忽略检测电阻R2上的电压时,有
Vi=Vo’=Vomax+Vce1=6+Vce1⑴
式
(1)中,调整管管压降Vce1,一般在3V~8V间选取,以保证VT1能工作于放大区。
当市电电网电压波动不大时,Vce1可选取的小一些,此时调整管和电源变压器的功耗也可以小一些。
2滤波电容C
设定Io=Iomax=0.8A,t=0.01S则可求得C。
电路中滤波电容承受的最高电压为
,所以所选电容器的耐压应大于12V。
3确定晶体管。
估算出晶体管的Icm、V(BR)CEO、Pcm值,再根据晶体管的极限参数和来选择晶体管。
Iomax≈Io=150mA
(2)
Vcemax=Vi-Vomin=Vi-3(3)
Pcmax=IcmaxVcemax(4)
查晶体管手册,只要大于上述计算值的晶体管都可以作为调整管VT1使用。
VT2、VT3由于电流电压都不大,功耗也小,因此不需要计算其值,一般可选用小功率管。
4确定基准电压。
由Vo=1/n(Vz+Vbe3)
有Vz=nVo-Vbe3
则Vz<nVo(5)
式(5)中,n为取样电路的取样比(分压比),且n≤1。
所以Vz应小于Vomin(3V)。
LED的工作电压约为1.8~2.4V。
且正相特性曲线较陡,因此它可以代替稳压管提供基准电压。
5限流电阻的计算。
限流电路如图2所示。
图2基准电压限流稳压电路
ID=Ir3+Ie3=(Vo-Vz)/R3+Ie3(6)
式(6)中,Vz为LED的工作电压,其值可取为2V;ID为LED的工作电流,在2~10mA间取值;Ie3为VT3的工作电流,可在0.5~2mA间取值。
当选定Ie3的值后,为保证LED能完全可靠的工作,R3的取值应满足条件:
2mA<ID<10mA
当Vo=Vomin=3V时,ID最小,即
ID=(Vomin-Vz)/R3+Ie3=(3-VZ)/R3+Ie3>2mA(7)
得R3<(3-VZ)/(2-Ie3)(8)
当Vo=Vomax=6V时,ID最大,即
ID=(Vomax-VZ)/R3+Ie3=(6-VZ)/R3+Ie3<10mA(9)
得R3<(6-VZ)/(10-Ie3)(10)
因此有
(6-VZ)/(10-Ie3)<R3<(3-VZ)/(2-Ie3)(11)
在取值范围内,R3应尽量取大一些,这样有利于VZ的稳定.另外,计算的电阻值还应该选区标称值.
同时,相关的功率计算如下:
PR3=(Vomax-VZ)2/R3=(6-VZ)2/R3(12)
需要注意的是,计算出的电阻功率也应选区标称值。
6取样电路的参数计算。
首先,确定取样电路的工作电流I1(流过取样电阻的电流).若I1取得过大,则取样电路的功耗也大;若I1取得过小,则取样比n会因VT3的基极电流的变化而不稳定,同时也会造成Vo不稳定。
实际应用中,一般取I1=(0.05~0.1)Io,然后计算取样电阻。
当Vo=3V时,取样电路如图3所示。
图3取样电路
由I1(R4+R6)=3V
取样电路的总电阻为R=R4+R6=3/I1
又由于R/R6(VZ+Vbe3)=3V
所以R6=R(VZ+Vbe3)/3
R4=R-R6
当Vo=6V时,应将图3中的电阻R4换成R5,计算方法与Vo=3V时相同。
取样电路的总电阻为
R=R5+R6=6/I1
R5=R-R6
此时,计算出的电阻值应取标称值,然后利用公式Vo=R/R6(VZ+Vbe3)计算Vo。
并测量Vo是否满足设计指标的要求,否则应重新取值计算。
最后,还应对所取电阻进行功率计算,并取其标称值。
7计算比较放大器集电极电阻R1。
比较放大器如图4所示。
图4比较放大电路
R1的值取决于稳压电源的Vo和Io,由此可得
IR1=(Vi-Vb2)/R1=Ib2+Ie3
Vb2=Vo+Vbe1+Vbe2≈Vo+1.4
Ib2≈Io/β1β2
若R1的值太大,则IR1的值变小,Ib2也小,因此不能提供额定电流Io;若R1的值太小,则比较放大器增益变低,会造成稳压性能不好。
当Vo=Vomax=6V时,R1的值应满足条件
(Vi-7.4)/R1≈Ib2+Ic3
或R1≈(Vi-7.4)/(Ib2+Ic3)
式中,Ib2由Ib2≈Io/β1β2确定(Io=150mA).
其中,β1的取值范围在20~50之间(大功率管取20,中功率管取50);β2的取值范围在50~100之间。
Ic3可用前面计算R3时已选定的值Ie3.
R1的功耗估算为
PR1=[Vi-(Vomax+1.4)]2/R1
需要注意的是,阻值和功率应取标称值。
8限流保护电路参数的计算。
限流保护电路如图5所示。
监测电阻Rz的计算方法如下:
因为VD=2Vbe+IomaxR2
所以R2=(VD-2Vbc)/Iomax≈(2-1.4)/Iomax
式中,VD取2V,Vbc取0.7V,最大输出电流Iomax取500mA,电阻功耗的估算为
PR2=I2omaxR2
同样,阻值和功耗应取标称值。
图5限流保护电路
3.3.充电电路部分的设计。
充电电路一般采用晶体管恒流源电路。
3.3.1慢充电路,
如图6所示。
图6慢充电路原理图
LED给晶体管发射结提供约为2V的直流稳定电压。
在利用Re的电流负反馈作用使集电极电流Io1保持恒定。
充电电流Io1由式(13)决定
Io1=Ic≈Ie=(VD-Vbc)/Rc(13)
元件参数的计算如下:
1晶体管Icmax=Io1;Vcemax≈Vo’-3;Pomax=IcmaxVcemax,所选用晶体管的参数IcmVceoPcm应大于上述计算值。
2LED用红色发光二极管,工作电压VD≈2V,可兼做过流报警指示灯用,
3二极管VD可用普通二极管,正向额定电流应大于Io1.
4电阻Re=(Vd-Vbc)/Io1;PRc=I2o1Rc
Rb=(Vo’-VD)/(ID+Ib);PRb=I2RBRb
式中,ID为LED的工作电流,在5~10mA间取值。
Ib为晶体管基极电流,Ib=Io1/β(β的取值在50~100之间)。
3.3.2快充电路
如图7所示,
图7快充电路原理图
由于快充时,充电电流I较大,因此晶体管管耗也变大,为降低管耗,可在集电极回路上增加一个降压电阻R,此时Vce=V’o-3-Vd-Io2(Re+R)减小,管耗也随之减小,其中RcRb的计算与慢充电路相同。
降压电阻R的计算方法:
首先,根据所选晶体管的Pcmax和充电电流Io2确定Vce,即Vce
R=(V’o-3-Vce-0.7)/Io1-Re(14)
3.4.整流滤波电路的设计
整流滤波电路部分的设计采用桥式整流、电容滤波电路,如图8所示。
图8整流滤波电路
3.4.1确定整流电路的输出电流I
整流输出电路如图9所示。
图9整流输出电路
当稳压电源和充电电源同时工作时,
I’o=Io+(I1+I2+I3)+I4≈(1.1~1.2)Io+(Io1+Io2)
式中,(I1+I2+I3)的取值范围是(0.1~0.2),IoIo1Io2为慢充和快充时的充电电流。
3.4.2确定电源变压器参数
1次级线圈电压V2=V’o/(1.1~1.2)
2次级线圈电流I2(1.0~1.1)I’o
3功率P=V2I2
3.4.3确定整流二极管
1额定整流电流Idm>0.5I’o
2最高反向工作电压Vrm>V2
3.4.4确定滤波电容
1容量C1≥(3~5)T/2R1
式中,T=20ms(输入交流电流的周期),R1=V’o/I’o(整流滤波电路的负载)。
2耐压,V≈1.5V’o和C1的容量耐压均应取标称值。
四主要芯片的技术参数
9012是一种最常用的普通三极管。
它是一种低电压,大电流,小信号的PNP型硅三极管
·集电极电流Ic:
Max-500mA
∙集电极-基极电压Vcbo:
-40V
∙工作温度:
-55℃to+150℃
∙和9013(NPN)相对
∙主要用途:
o开关应用
o射频放大
本电路主要元件有9013、8050、9012等,其参数为:
1、9013(NPN):
VCBO=40V、VCEO=20V、VEBO=5V、IC=500mA、hfe=64~166
2、9012(PNP):
VCBO=40V、VCEO=25V、VEBO=5V、IC=500mA、hfe=64~300
3、8050(NPN):
VCBO=30V、VCEO=25V、VEBO=6V、IC=1.5A、hfe=85~300
五.组装与调试
1输出电压可调范围的测量按图接线输入端接220V交流电压,输出端直流接万用表或数字万用表,调节电路中S1的位置,使其稳压值为最大和最小,测出对应的输出电压U1和U2。
由于电源输入为12v。
则该稳压电源输出电压的可调范围为U1~U2=2.747V~4.765V。
2最大输出电流的测量Io
稳压电源的输入端接220V的直流A交流电压,将稳压电源的输出电压调到3V, 然后在稳压电源的输出端接电阻R4,用万用表或数字万用表测出对应的UO。
此时流经电阻R4的电流就是IOmax。
记下IOmax。
测得Iomax=550mA
3纹波因数g的测量
用晶体管毫伏表测量电源输出端的交流电压分量的有效值,用万用表(或数字万用表)的直流档测量电源输出端的直流电压分量,就可算出电源的纹波因数。
测得:
g=0.08mV。
4输出电阻RO的测量
输出电阻RO定义为:
当输入电压和温度不变时,因RL变化,导致负载电流变化了△IO,相应的输出电压变化了△UO,两者比值的绝对值称为输出电阻RO,即
△UI=0△T=0
•实验设备及元器件
1.万用表……………………………………一台
2.示波器……………………………………一台
3.交流毫伏表…………………………………一台
4.负载滑线变阻器…………………………一个
•测试数据
最大输出电流Iomax=550mA
纹波因数g=0.08mV
快慢充电压V=4.6V
快充最大电流Imax=45mA
慢充最大电流Imax=42.1mA
•结果分析
通过测量供电部分输出电流为550mA纹波系数为0.08mV已达到设计要求;充电部分由于三极管由8550换为9012,放大倍数相应改变导致输出电压电流发生改变其快慢充电流差值较小,已起不到快冲和慢充的作用。
•注意事项
1.制作PCB版时要确保焊盘的大小合适,即有利于点焊有不占据太多的位置。
2.焊接时要对各个功能模块电路进行单个测试,需要时可设计一些临时电路用于调试。
3.测试电路时,必须要保证焊接正确,才能打开电源,以防元器件烧坏。
4.按照原理图焊接时必须要保证可靠接地。
六设计与总结
特点:
在稳压电源中,负载电流Ifz要流过调整管,输出大电流的电源必须使用大功率的调整管,这就要求有足够大的电流供给调整管的基极,而比较放大电路供不出所需要的大电流,另一方面,调整管需要有较高的电流放大倍数,才能有效地提高稳压性能,但是大功率管一般电流放大倍数都不高。
解决这些矛盾的办法,是给原有的调整管再配上一个或几个“助手”,组成复合管。
本电路就是通过复合管来放大电流以达到目的的,同时本电路还具有过流和限流保护的作用满足一般电源的基本要求。
•存在问题:
本电路虽有一系列保护功能,但是在发生短路是尽管有保护电路但是8550还是有较高的发热容易损坏,同时充电电路部分由于换用了9012三极管导致快充与慢充电路的差异不是很大未达到设计要求。
另外,本电路设计时电阻的大小是固定值,由于各方面的因素,会导致不能准确地调试出实验要求的结果。
•功能扩展方案(仅作理论讨论)
本电路可更改为输出电压可调的稳压电源,即在S1处电阻改为可调电阻即可实现输出电压可调的作用。
进一步则可扩展为可调正负电源。
•总结
在课设中,是一个学以至用的过程。
在开始,不知道如何画电路图,以为只要画出原理图即可,后来通过学习,知道了封装、PCB制版以及元件的自定义设计。
特别是老师教我们自己建自己的元件库和封装库,这样既方便又实用。
在布线阶段,焊盘的大小和导线的粗细都会影响板的质量。
在领元件的过程中,认识了三极管、二极管,它们的管脚。
制版过程中,了解到一块版要经过打磨、预热、印图、腐蚀、打孔等过程。
在元件焊接的过程中,自己确实体会到了点焊锡不是一件容易的事情,焊锡不可以过多也不可以过少,这个度很难掌握,焊好后还要修复美化。
七.参考文献
·周志敏等.线性集成稳压电源实用电路【M】北京:
中国电力出版社.2006
·黄继昌等.电源专用集成电路及其应用【M】北京:
人民邮电出版社.2006
·赵淑范王宪伟.电子技术实验与课程设计【M】北京:
华大学出版社.2006
·康华光.电子技术基础(模拟部分)【M】北京:
高等教育出版社.2006
八.致谢
将近两个星期课程设计已经结束了,感谢大家两星期的共同努力和合作。
在本课题的设计过程中得到吴伟、陈兵芽、金信鸿等老师的指导,引导我们开拓思路完成课题的制作。
在此,我们要说一声:
各位老师,你们辛苦了!
九附录
1)Protell99原理图
2)PCB版图
3)元器件明细表
PartType
Designator
Footprint
PartType
Designator
Footprint
D5
BYQ
470
R5
AXIAL0.4
D7
D
560
R10
AXIAL0.4
LED
GNP
560
R8
AXIAL0.4
LED2
GNP
1000
R1
AXIAL0.4
LED4
GNP
1000
R3
AXIAL0.4
LED3
GNP
8050
VT1
SJGNPN
D1
KG-1
8550
VT4
SJGPNP
D3
KG-1
8550
VT5
SJGPNP
D2
KG-1
9013
VT3
SJGNPN
C3
RB.2/.4
9013
VT2
SJGNPN
1
R2
AXIAL0.4
IN4001
D6
D
3V
S1
DY
LED
D4
D
3V
S2
DY
LED
D10
D
9.1
R9
AXIAL0.4
LED
D8
D
24
R11
AXIAL0.4
LED
D9
D
24
R7
AXIAL0.4
LED
C2
RB.2/.4
100
R4
AXIAL0.4
LED
C1
RB.2/.4
300
R6
AXIAL0.4
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