21 武汉理工大学Protel课程设计稳压充电器的设计与实现.docx
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21武汉理工大学Protel课程设计稳压充电器的设计与实现
课程设计任务书
学生姓名:
芦启超专业班级:
SY1101
指导教师:
刘新华工作单位:
信息工程学院
题目:
Protel应用课程设计--稳压充电器电路
初始条件:
(1)可选元件:
二极管、三极管、电阻、电位器、电容若干;变压器;正弦交流电源
(2)可用仪器:
示波器,万用表
(3)仿真软件:
Multisim12.0AltiumDesignerWinter09
要求完成的主要任务:
(1)使用AltiumDesigner制作稳压充电器的电路原理图
(2)使用AltiumDesigner制作稳压充电器的PCB图
(3)使用Multisim进行电路仿真设计
时间安排:
(第18周)
(1)第1天:
选题及任务安排。
(2)第2-4天:
设计方案确定及电路设计。
(3)第5天:
电路测试及结果分析(鉴主15楼通信工程专业实验室)。
(4)第6-7天:
撰写报告及答辩。
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
目录
摘要I
ABSTRACTII
1设计要求:
1
1.1课程设计总体要求1
1.2性能指标要求1
2.1电源变压器2
2.2整流电路3
2.3滤波电路及滤波电容的选择4
2.4稳压恒流输出电路5
2.5快慢冲选择及充电判断电路5
3Multisim仿真及结果分析7
3.1整体电路图7
3.1电路仿真结果7
3.1.1慢冲仿真结果7
3.1.2快充仿真结果8
3.1.3电路充电及充满状态仿真结果9
3.2仿真结果分析10
4用AltiumDesigner软件绘制原理图11
4.1新建一个工程11
4.2创建一个新的电气原理图11
4.3绘制电路原理图12
4.4生成原件清单13
4.5创建PCB文件14
4.6导入文件14
4.7设置工作参数15
4.8PCB布线16
4.9铺地16
4.10DRC检查、修改17
5心得体会18
6参考文献19
附录元器件清单20
摘要
本课程设计目的在于培养同学们自主设计制作的能力,同时学会应用仿真软件对设计电路进行模拟分析,并学会用AltiumDesigner软件进行PCB制图。
稳压充电器是属于比较基本的设计,要求充电器输出两档可调的稳定电流和电压输出,达到稳定充电效果。
该电路由稳压电源和充电器两部分组成,稳压电源输出3V、6V直流电压,可作为收音机、录音机、CD机等小型电器的外接电源;充电器可以对5号到7号电流进行恒流充电。
这次课程设计主要要求掌握原理电路图设计、PCB设计和仿真。
关键词:
AltiumDesigner、PCB、Multisim、稳压充电器
ABSTRACT
Thiscourseisdesignedtotraintheabilitytomakeindependentdesignstudents,atthesametime,learntousesimulationsoftwaretosimulatethecircuitdesign,andlearntouseAltiumDesignerPCBdrawingsoftware.
Voltagestabilizingchargerisabasicdesign,thisdesignrequirestwoadjustablecurrentandvoltagestableoutputinordertomeetthedesignrequirements.Thecircuitiscomposedofaregulatedpowersupplyandcharger,regulatedpowersupplyoutput3V,6VDCvoltage,whichcanbeusedastheradio,taperecorder,CDplayerandothersmallelectricalappliancesexternalpowersupply;thechargercanbeconstantcurrentchargingcurrentofNo.5toNo.7.Thecurriculumdesignismainlyrequiredtomastertheprinciplecircuitdiagramdesign,PCBdesignandsimulation.
Keywords:
AltiumDesigner;PCB;Multisim;Voltagestabilizingcharger
稳压充电器的设计与实现
1设计要求:
1.1课程设计总体要求
1.根据自选题目绘制具有一定规模、一定复杂程度的电路原理图*.sch(自选)。
2.绘制相应电路原理图的双面印刷版图*.pcb。
3.对电路原理图进行仿真,给出仿真结果(如波形*.sdf、数据)并说明是否达到设计意图。
*4.有能力的同学可做出实物电路,此项作为加分项处理。
1.2性能指标要求
1.输出电压尽量稳定在3V和6V;
2.输出电压纹波较小;
3.输出电流稳定在0.5A;
4.可以判断电池是否充满;
2原理分析
该电路由稳压电源和充电器两部分组成,稳压电源输出3V、6V直流电压,可作为收音机、录音机、CD机等小型电器的外接电源;充电器可以对5号到7号电流进行恒流充电。
直流稳压充电电器工作流程图:
降压
图2-1稳压充电器工作流程图
2.1电源变压器
电源变压器的效率电源变压器是将220V,50HZ交流电压降压后输出到副边。
其中:
是变压器副边的功率,
是变压器原边的功率。
一般小型变压器的效率如表2-1所示:
副边功率
效率
0.6
0.7
0.8
0.85
表2-1小型变压器的效率
因此,当算出了副边功率
后,就可以根据上表算出原边功率
。
例如对本次课程设计原边边电功率为20,由表可知其效率η=0.7,则变压器副功率
为14W。
LM317与LM337输入电压在±(3~40)V,当副边输出电压为±15V时,LM317及LM337都能正常工作。
2.2整流电路
管D1~D4接成电桥的形式,故有桥式整流电路之称。
如图2-2所示:
图2-2桥式整流电路
在v2的正半周,电流从变压器副边线圈的上端流出,只能经过二极管D1流向RL,再由二极管D3流回变压器,所以D1、D3正向导通,D2、D4反偏截止。
在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。
其电流通路可用图中实线箭头表示。
在v2的负半周,其极性与图示相反,电流从变压器副边线圈的下端流出,只能经过二极管D2流向RL,再由二极管D4流回变压器,所以D1、D3反偏截止,D2、D4正向导通。
电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负,与正半周时相同。
其电流通路如图中虚线箭头所示。
综上所述,桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性,将四个二极管分为两组,根据变压器副边电压的极性分别导通,将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连,负极性端与负载电阻的下端相连,使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。
2.3滤波电路及滤波电容的选择
滤波电路及其原理如下图2-3所示:
图2-3RC滤波电路
图2-4RC滤波电路电容滤波电路中二极管的电流和导通角
为了得到平滑的负载电压,一般取
RLC>=(3~5)T/2
式中T为电源交流电压的周期,滤波电容的容量可由下式估算:
C=ICt/ΔVip-p
式中ΔVip-p——稳压器输入端纹波电压的峰-峰值;
T——电容C放电时间,t=T/2=0.01S
IC——电容C放电电流,可取IC=Iomax,滤波电容C的耐压值应大于1.4V2。
2.4稳压恒流输出电路
由于稳压电路发生波动、负载和温度发生变化,滤波电路输出的直流电压会随着变化。
因此,为了维持输出电压稳定不变,还需加一级稳压电路。
稳压电路的作用是当外界因素(电网电压、负载、环境温度)等发生变化时,使输出直流电压不受影响,而维持稳定的输出。
稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件组成。
但是,本电路要求恒流输出,采用了三极管输出方式,更能满足设计需求。
图2-5三极管稳压恒流电路
2.5快慢冲选择及充电判断电路
本设计可以对电池进行快慢两种充电方式,分别用3V和6V对电池进行充电,电路通过两个不同大小的电阻来控制输出电压的大小,通过开关选择电阻来判断输出电压的大小。
同时通过压控开关方式判断电池是否充满,当电池未充满时,其电压不足5V,则电路联通,红色二极管亮,表示充电;当电池充满时,电压超过5V,电路断开,绿色二极管亮,表示充满。
图2-6快慢冲选择及充电判断电路
3Multisim仿真及结果分析
3.1整体电路图
图3-1稳压充电器整体电路图
3.1电路仿真结果
3.1.1慢冲仿真结果
慢冲输出的波形如下图所示:
图3-2慢充输出波形图
其输出电流电压如下图所示:
图3-3慢冲充输出电流和电压
3.1.2快充仿真结果
快充输出的波形如下图所示:
图3-4快充输出波形图
其输出电流电压如下图所示:
图3-5快充输出电流和电压
3.1.3电路充电及充满状态仿真结果
正在充电时,红色LED亮,绿色LED无反应,表示正在充电,仿真结果如下图:
图3-6充电状态显示仿真结果
电池充满时,其电压到达5V,绿色LED亮,红色LED不亮,表示已经充满,仿真结果如下图:
图3-7充满状态仿真结果
3.2仿真结果分析
对仿真结果分析,并与设计要求对比可知,电路基本满足设计要求。
慢冲时电压为3.205V,快充时电压为5.905V,且波纹较小,满足3V和6V输出电压要求;输出电流为495mA,满足0.5A要求。
同时拥有充电状态和充满状态显示,故本次仿真取得了成功。
4用AltiumDesigner软件绘制原理图
4.1新建一个工程
1.选择File>>New>>Project>>PCBProject,或在Files面板的内New选项中单击BlankProject(PCB)。
2.重新命名工程文件(用扩展名.PrjPCB),选择File>>SaveProjectAs。
保存于您想存储的地方,在FileName中输入工程名直流稳压电源.PrjPCB并单击Save保存,结果如图4-1所示。
图4-1创建的工程
4.2创建一个新的电气原理图
通过下面的步骤来新建电路原理图:
1.选择File>>New>>Schematic,或者在Files面板内里的New选项中单击SchematicSheet。
在设计窗口中将出现了一个命名为Sheet1.SchDoc的空白电路原理图并且该电路原理图将自动被添加到工程当中。
该电路原理图会在工程的SourceDocuments目录下。
2.通过文件File>>SaveAs可以对新建的电路原理图进行重命名,可以将通过文件保存导航保存到用户所需要的硬盘位置,如输入文件名字直流稳压电源.SchDoc并且点击保存,结果如图4-2所示。
图4-2新建电气原理图
4.3绘制电路原理图
1.所以从Libraries面板顶部的库下拉列表中选择元件库,并从中找到自己所需的元件,直接双击该元件的文件名,光标会变成十字准线叉丝状态并且一个整流桥紧贴着光标。
现在正处于放置状态。
如果移动光标,2N3904将跟着移动,将2Nations904拖到电气原理图中,如图4-3所示,按照此方法将其他所需的元件都调入到电气原理图中。
2.在菜单中选择Place>>Wire或者在连线工具条中点击Wire来进入绘线模式。
光标会变成crosshair十字准线模式,依次将各个元件连接好。
绘制完后的电路原理图如图4-4所示。
图4-3调入元件
图4-4电路原理图
4.4生成原件清单
执行菜单命令
/【BILLOFMATERIAL】出现新的对话框,点击Export,即可生成原价清单,如图4-5所示:
图4-5生成原件清单
4.5创建PCB文件
选择File>>New>>PCB,PCB文件自动连接工程并被列在Projects中源文件里工程名的下方。
通过选择File>>SaveAs重新命名新的PCB文件(带.PcbDoc扩展名)。
浏览到用户想存储PCB的位置,在FileName里键入文件名稳压充电器.pcbdoc,并点击Save。
4.6导入文件
1.打开原理图文件直流稳压电源.schdoc。
2.选择Tools〉〉FootprintManager,确定每个原价的引脚,如图4-6所示。
3.选择Design>>UpdatePCBDocument(稳压充电器.pcbdoc)。
该工程被编译并且工程变更命令对话框显示出来,如图4-7所示。
4.点击ExecuteChanges,将更改发送给PCB。
单击Close,目标PCB文件打开,并且已经放置好元器件,结果如图4-6所示
图4-6原件引脚
图4-7工程编译和变更的对话框
图4-8元器件封装放置完成
4.7设置工作参数
元器件导入后,我就开始设置工作参数,在图层堆栈管理器内,根据设计需要,可以将PCB版设计成单面板、双面板和多层板3种。
在设定完PCB的类型后,还应当预设工作参数,如相应的布线规则。
我在做完整个板子后做DRC检查时发现了30多处错误,系统提示我的孔大小超出了预设规则,于是我到规则设置菜单下将参数设在我孔大小的范围内,于是相应的错误全部得到解决。
4.8PCB布线
在确保以上步骤正确进行后点击命令菜单【AUTOROUTE】/【ALL】中执行【ROUTEALL】即可进行自动布线,自动布线的前提是已经将边界框好,否则点击自动布线系统将会报错,自动布线选择的是最短路程。
我第一次尝试了以下自动布线,发现不到3秒钟布线全部完成,当时删除后重新手动布线。
根据各个线的提示,我一步一步的进行布线,但是中途发现版子的边框划得太大了,太浪费版子了,于是直接删除了又重新做,不过后来发现直接回到KeepoutLayer或者MutiLayer就可以把边框删除后重新划。
在第三次划的时候我就明显顺利多了。
布完线后我请教了一下同学,同学告诉我据查阅资料:
实际的工程中地线往往较多,所以采用铺地的方法将地网络全部连接在一起,并且该操作可以大大提升电路板的抗干扰能力。
于是我把自己做的复制了一份,然后把地线删掉后进行了铺地,但由于在板子上覆了一层铜,打印效果也被覆盖,这使得我的Toplayer\BottomLayer显得一片黑,但我认为在实践中实用才是第一位的,美观只能求其次于是我没有放弃铺地而采用连线的方法将地网络连接起来。
4.9铺地
对各布线层中放置地线网络进行覆铜,以增强PCB板抗干扰的能力;另外,需要过大电流的地方也可采用覆铜的方法来加大过电流的能力。
关于铺地工作一定要使多边形边界与板子边界对齐否则效果将极其不理想,顶层与底层应各铺一层地。
图4-9为铺地后的顶层效果图。
图4-9铺地后的PCB
4.10DRC检查、修改
以上工作完成后,我们就可以开始对布线完毕后的电路板做DRC检验,以确保版图符合设计规则,所有的网络均以正确连接。
具体操作为点击命令菜单【TOOLS】/【DESIGNRULESCHECK】即可执行电器规则检查步骤,在我做完PCB板做检查时只有孔大小错误,我后来直接更改了RULE中的相关规则就不再显示错误了。
推荐在未铺地前就进行一次DRC检查,这样可以防止反复动作,提高效率。
这一步完成后我的印刷电路板就完成了。
图4-10为PCB的DRC检查结果。
图4-10PCB的DCR检查结果
5心得体会
这个星期,我做了这个protel软件的应用的课程设计。
这个软件的功能是模拟电路的输入输出,帮助人们进行智能分析,这样一来,我们就将人工根本不能算或者是特别繁琐的计算在计算机上轻而易举的获得我们想要的结果。
因此,这带给我们极大的方便。
通过这次学习和应用,我感受颇深。
我这次使用它做的课题是差动放大电路的设计。
这个课题现在看起来相对还是比较简单的,但是我感觉十分茫然,软件都不会用,也不知道我的理论和实践到底能差多远。
在做电路仿真时,我画好了电路原理图,修改好参数后,创建网络列表时系统总是报错,无论我怎样修改都不行,后来请教同学,他们也遇到了同样的困惑。
任何事情都不可能是一帆风顺的,开始是创建网络表时出现问题,后来是没有差错但出来的仿真波形不是预计中的,这确实很难修改。
输出时仿真波形总是一条直线,我弄了一晚上也找不出原因,整个人也显得焦躁不已。
而在同学的帮助之下,我又恢复了信心,继续完成了这次实践。
通过这次实践,我更加清楚要使用好一个软件,必须充分地利用好已有资源,善于使用网络学习。
现在感觉学习存在一些不足,我要改善学习的状态,来深入地学习。
同时感谢我的同学们给予的帮助。
6参考文献
【1】何英.《PROTEL应用与入门》.机械工业出版社.
【2】康华光.《模拟电子技术》高等教育出版社.
【3】《Protel99》高级应用.赵品编著.人民邮电出版社.2000.11.
【4】陈希有《电路理论基础》高等教育出版社.
【5】《Protel99SE》电路设计与仿真应用.
【6】陈华《实用电子技术基础》化学工业出版社.
【7】《模拟电子技术基础.第四版》华成英.北京:
高等教育出版社,2006.5
【8】《电子线路设计、实验、测试.第二版》谢自美著.华中科技大学出版社,2000.7
附录元器件清单
元件名称
具体型号
数量
电容
470uF
1
22uF
1
100uF
1
电阻
1.0k
2
1
1
100
1
470
1
整流桥
1B4B42
1
三极管
9013
2
8050
1
开关
SW-SPDT
1
SWDPDT
1
发光二极管
红
1
绿
1
变压器
双15V/25W
1
本科生课程设计成绩评定表
姓名
芦启超
性别
男
专业、班级
信息sy1101班
课程设计题目:
稳压充电器的设计与实现
课程设计答辩或质疑记录:
1.如何判断电池是否充满电?
答:
通过在输出端接一个压控开关,当电池充满时,电压到达5V,压控开关断开,充电电路也断开,此时绿色LED亮,表示电池已经充满。
2.怎样输出两种不同的电压?
答:
我通过三极管共漏输出稳定的电压和电流,然后在其后端用双置开关分别接入两个不同阻值的电阻,利用分压定律,使输出两种不同的电压。
3.在绘制PCB的过程中,你布局连线都遵循了什么规则?
答:
首先,我布局要求尽量美观,所有原件尽量不要太分散,也不要太拥挤;然后,连线时,要求尽量不要跳线,而且尽可能绘制成单面板,连线尽量走直线,减少连线间的穿插。
成绩评定依据:
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
年月日
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