电路设计项目实例--门控开关+热水循环泵

前言

   这段时间观看了张飞的电路设计与开发教学视频，具体哪个版本的不知道，但是学习内容真的很充实，张飞老师，在跟随项目的进行中详细地讲解了电路的搭建与功率的计算。现在把一些笔记记录下来，方便随时查阅。

项目一，门控开关

项目描述：

使用市电供电，当开关被按下（表示门被打开），LED点亮；否则，LED熄灭。

项目资源：

1）220V 50HZ市电；
2）微动开关（代表门控开关）；
3）一个LED，电流为10MA，压降3.3V；
4）一个5.6V稳压二极管反向电流为2MA；
5）一个NPN三极管，基极电流1MA时导通；
6）设定电压要求，纹波为0.9V；

设计方案一

原理描述： 220V市电经过变压器转变成AC16V，后经过整流桥转变为直流V1，V1再经过滤波后使用稳压芯片降压，得到5VDC，随后使用5V为LED供电。开关断开时，LED电路断开，LED熄灭；开关闭合时，5V为LED供电，LED点亮。
具体计算：

1. $V1=16V\ast \sqrt{2}=22.6V\approx 23V$
   16V是整流桥的输入即AC16V；
2. $R=（5V-3.3V）/10MA=170R$
   $P=\frac{U^2}{R}=0.017W$
3. 在选择电阻时需要看电阻封装的功率大小，如0805封装的电阻功率为0.125W>0.017W，故该处电阻可以选用0805封装
   否则电阻会发热；
4. 电容的充放电公式
   $Vo=Vin\ast (1-e^{\frac{-t}{\tau }})$
   $Io=\frac{Vin}{R}\ast e^{\frac{-t}{\tau }}$
   $\tau =RC$
5. C1的选用，可以以此方式类推其他电解电容的计算
   $C=\frac{Io}{\Delta V\ast f}$
   f 是充电频率，这里为100HZ，Io是放电电流，ΔV是纹波；
   电容如果是电解电容，容量实际使用时一般选计算值的5、10倍，以增加电容的寿命；
   耐压值：交流情况下大于交流输入电压有效值的1.5倍；直流情况下大于输入电压峰值的1.5倍；
6. LM7805的功率=（15V-5V）*10MA=0.1W，一般功率不超过1W，发热不会严重；
   LM7815的功率=（V1-15V）*10MA=0.08W
7. 整流桥二极管导通电流最小5MA(负载电流的一半)，反向耐压值=2* 1.414* Vac；

设计方案二

原理描述： 220V市电经过变压器转变成AC16V，后经过由4个分立二极管组成的整流管，输出直流电压V1，V1滤波后利用Q1与D6完成稳压，为LED供电。这里稳压部分需要注意，在三极管关闭时，电流由R2，D6形成回路，D6上产生5.6V的电压，该电压令三极管导通，并在BE极产生0.7V的压降，是的输出为5V；三极管导通时，只要保证流过D6的电流大于2MA，三极管B极电压便可以维持。
注意事项：

1. 整流桥二极管的电流与耐压值与方案一的一致；
2. R2=(23V-5.6V)/4MA=4.4K,为了满足三极管和稳压管的供电电流，R2取值必须使电流大于3MA，我们这里取4MA；
3. 三极管功耗 P=(23V-5V)* 10MA=0.18W；10MA是负载电流
   稳压管功耗 P=5.6V* (23V-5.6V)/R2=0.0221W
4. C11与C9：C11在三极管基极滤波，此时电流很小，只需要较小的电容值可完成滤波，且保证干扰不会被三极管放大；C9在三极管发射极滤波，此时基极的干扰已经被三极管放大，所以需要较大的电容量；所以C11效果好，有C11时C9可以省略。

项目二，热水循环泵

项目描述：

使用一个15VDC电源，驱动12V 0.6W的直流电机；一个电机使用温度开关控制，温度大于70°时关断，电机停转，同时绿色LED点亮；温度低于45°时导通，电机转动，同时红色LED点亮。另一个电机使用定时器开关控制，每隔5分钟开关切换一次状态，电机跟随切换一次转向。

项目资源：

1）有刷直流马达电压12V 功率0.6W；
2）15VDC电源系统；
3）温度开关：允许电流1MA,温度大于70°时关断，温度低于45°时导通；
4）定时器开关；
5）LED，电流为5MA，压降3.3V；
6）稳压二极管反向电流为2MA；
7）NPN三极管和PNP三极管，基极电流1MA时导通；

设计方案（温度开关）

原理描述： 15VDC的输入经过Q1与D3的稳压产生12VDC，该电压滤波后为后续电路供电。电机的控制由Q2主导，Q2由温度开关控制。由于温度开关是机械开关故而增添了R4、C3组成的RC滤波电路，滤除机械开关在切换时带来的高次谐波。但是C3的引入使得三极管B极电流泄放减慢，为加速这个过程，添加了D7、Q3、R7，在温度开关断开时，D7与Q3导通，C3的电流快速释放。在温度开关闭合时，D6导通，使得Q3闭合，RC电路正常工作。在Q2导通时，电机转动，红LED点亮，D4导通将D4阳极电压钳位在1V，使得绿LED熄灭；Q2断开时，D4断开，电机不动，红LED熄灭，绿LED点亮。
注意事项：
1）R2=(15v-13v)/2MA=1K
2）R4+R5=(12v-0.7v-0.7V)/1MA=10.6K
3）温度开关断开时，三极管电压与电流不会瞬间消失，在其缓慢消失的过程中容易受到外界干扰，如静电、噪声、雷击等，使三极管工作不稳定甚至损坏，故而在三极管基极添加R6.R6作用有三个，一个是在温度开关断开时，通过分压令三极管基极电压进一步降低，防止三极管误开通；二是在温度开关断开后，将静电等干扰的电流通过R6引入地，保护三极管；三是为三极管基极寄生电容提供泄流通路，加快三极管关断进度，此时R6不可太大，经验值是取2K。
4）三极管基极不能够处于高阻态。
5）机械开关在闭合、断开的瞬间有较大的谐波出现，可以添加滤波电路消除，电子开关不需要滤波。
滤波深度T=RC>2us，我们取T=5us，取R4=1K，则C3=5nf，取4.7nf
6）R1=R3=（12-3.3V）/5MA=1.74K
7）D4用于钳位，在三极管导通时绿色LED阳极被钳位1V，LED不亮
8）R4与C3构成的滤波电路，在开关断开时C3的电流需要一个快速泄流通道，故而增加了Q3，开关断开时C3电流通过D7快速导通Q3，D6用来在开关闭合时关断Q3，R7在开关闭合时会有漏电流存在，一般漏电流在1MA左右为可以接受
9）D7除了泄流外还可以把阳极钳位至12.7V，保护三极管

设计方案（定时器开关）

原理描述： 主体是一个H桥电路，这里不赘述。
注意事项：
1）在定时开关切换状态时，必须保证另一路的RC的电流已释放完毕，故而每一路增加了Q10、Q11这样的电路.当开关令上半部分导通时，也会使Q11导通，此时C4充电，C5放电，加快C5放电过程。
2）为了防止有Q5、Q9或者Q4、Q8同时导通的状况，在这四个三极管B极增加了非门电路，即Q6与Q7；
3）在非门电路前又增加了机械开关的RC滤波电路。在RC充电过程中，C的电压逐渐上升可能会使三极管进入放大状态，为避免这一现象，利用稳压管添加了一个5.6V的死区电压，保证三极管只在闭合、断开状态。

最后，很多功率和取值的计算太难描述，这里不写出来了。