過壓-欠壓-過流保護(hù)器的設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上過壓欠壓過流保護(hù)器的設(shè)計(jì)摘要該保護(hù)器由直流穩(wěn)壓電路、電壓比較電路、電流取樣及比較電路和延時(shí)報(bào)警電路五部分組成。直流穩(wěn)壓電路由電源變壓器、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路組成，為整個(gè)電路供電。通過互感器可對電流作隨時(shí)的跟蹤檢測。電壓比較部分采用LM339四電壓比較器，當(dāng)電網(wǎng)的電壓或電流不正常時(shí)，比較器相應(yīng)端輸出高電平，從而觸發(fā)保護(hù)電路和延時(shí)報(bào)警電路工作，達(dá)到過壓、欠壓、過流保護(hù)和報(bào)警的目的。關(guān)鍵詞 保護(hù)器 比較器 延時(shí)報(bào)警 LM3391. 引言現(xiàn)代家庭都備有多種電器和電子設(shè)備如電視機(jī)、電冰箱、音響系統(tǒng)、微波爐和UPS系統(tǒng)。這些設(shè)備都由交流電網(wǎng)供電，正常供電時(shí)，市電有±1

2、0%的允許誤差。但是，交流電網(wǎng)的電壓和電流時(shí)常波動，電壓和電流可能超過允許誤差，這對家電會帶來損害。因此我設(shè)計(jì)的保護(hù)器保證家用電器只有在一定的電壓和電流范圍內(nèi)正常工作，偏離正常電壓或電流就使電路斷電并報(bào)警，以保護(hù)電器設(shè)備。2. 設(shè)計(jì)方案2.1 問題提出眾所周知, 在高校教學(xué)過程中應(yīng)抓基礎(chǔ)、促提高、注重理論與實(shí)踐相結(jié)合。該類保護(hù)器在生活中已經(jīng)普遍應(yīng)用。但在實(shí)際中，往往保護(hù)器只涉及電壓保護(hù)或電流保護(hù)，具有一定的局限性。本文設(shè)計(jì)的“過壓、欠壓、過流保護(hù)器”具有較廣泛的適用性，同時(shí)與電子專業(yè)知識結(jié)合密切。作為電子信息工程專業(yè)的“設(shè)計(jì)課題”，具有很好的實(shí)用性和可操作性。 2.2 設(shè)計(jì)制作特點(diǎn)經(jīng)濟(jì)性：制作

3、成本在40元以內(nèi)。合理性：從應(yīng)用廣泛的555集成定時(shí)電路著手，電路由直流穩(wěn)壓電路、電壓比較電路、電流取樣及比較電路和延時(shí)報(bào)警電路五部分組成。涉及集成電路應(yīng)用、繼電接觸控制等電子電工技術(shù)知識。電路本身設(shè)計(jì)成熟合理?？刹僮餍裕赫n題本身具有創(chuàng)意，與市場結(jié)合緊密。從元件購置到裝配使用，無須開模定制，通過自己動手制作即為成品。3. 電路設(shè)計(jì)部分3.1直流電源設(shè)計(jì)部分在電子線路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。小功率直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路組成。3.1.1 電源變壓器變壓器是一種常見的電氣元件，在電子線路中應(yīng)用廣泛。輸電時(shí)必須利用變壓器將電壓升高以降低損耗和節(jié)約線材。在用電

4、方面，為保證用電的安全和適應(yīng)用電設(shè)備的電壓要求，還要利用變壓器將電壓降低1。電源變壓器一般由閉合鐵心和高壓、低壓繞組等幾個(gè)主要部分構(gòu)成，其作用是將交流電壓變?yōu)檎鳛V波電路所需要的電壓值。變壓器副邊與原邊有功功率比為：，式中為變壓器的效率。(為輸入功率，為變壓器的輸出功率。)表（3.1.1.1）列出了本設(shè)計(jì)中兩個(gè)變壓器的參數(shù)。表3.1.1.1變壓器參數(shù)3.1.2 整流濾波電路通過整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾波，從而得到平滑的直流電壓2。整流電路主要是利用二極管的單向?qū)щ娮饔?，因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。橋式整流電路的輸

5、出電壓高、紋波電壓較小、管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因?yàn)殡娫醋儔浩髟谡?、?fù)半周內(nèi)都有電源供給負(fù)載，電源變壓器得到充分利用，效率較高，因此在本設(shè)計(jì)中利用整流二極管D1D4組成單相橋式整流電路。將交流電壓轉(zhuǎn)變成脈動的直流電壓，再經(jīng)過濾波電容濾除紋波，輸出直流電壓。輸出電壓與變壓后交流電壓有效值的關(guān)系為： （3.1.2.1）每只二極管承受的最大反向電壓： （3.1.2.2）流過負(fù)載的平均電流： （3.1.2.3）通過每只二極管的平均電流： （3.1.2.4）式中為整流濾波電路的負(fù)載電阻。它為電容提供放電回路，放電時(shí)間常數(shù)應(yīng)滿足，式中T為50Hz交流電壓的周期，即20ms。圖3.1.2.1整流濾

6、波電路圖3.1.3 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路對整流后的直流電壓采用負(fù)反饋技術(shù)進(jìn)一步穩(wěn)定直流電壓。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(一般有±10%左右的波動)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。本電路采用L7812固定式三端穩(wěn)壓器3。它能夠輸出電壓穩(wěn)定的直流電壓。電路如圖(3.1.3.1)所示，輸入端接電容可以進(jìn)一步濾除紋波，輸出端接電容能改善負(fù)載的瞬態(tài)影響，使電路穩(wěn)定工作。同時(shí)使用三端穩(wěn)壓器時(shí),輸入電壓與輸出電壓至少相差2V以上,但也不能太大,否則會增大器件本身的功耗以至于損壞器件。 圖3.1.3.1穩(wěn)壓電路 集成穩(wěn)壓器的輸出電壓V0與穩(wěn)壓電源的輸出電壓相同。穩(wěn)壓器最大容許電流,輸入電壓的范圍為：（3.

7、1.3.1）式中，為最大輸出電壓；為最小輸出電壓；為穩(wěn)壓器的最小輸入、輸出壓差；為穩(wěn)壓器的最大輸入、輸出壓差。在本設(shè)計(jì)電路中，有一個(gè)電解電容與并聯(lián)，還有一個(gè)電解電容與并聯(lián)。前者目的是減少穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾，后者目的是當(dāng)輸入端短路時(shí)，給輸出電容器一個(gè)放電通路。3.2 電壓比較電路3.2.1 電壓比較器的定義：比較兩個(gè)電壓大小，它的輸入信號是模擬電壓，輸出信號一般只有高電平和低電平兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。 3.2.2 電壓比較器分類： 電壓比較器分為單門限電壓比較器和多門限電壓比較器。其中單門限電壓比較器又分為零電平比較器和非零電平比較器；多門限電壓比較器又分為遲滯比較器和窗口比較器。它

8、們各有優(yōu)缺點(diǎn)，單門限電壓比較器電路簡單，靈敏度高，但抗干擾能力差；多門限電壓比較器的抗干擾能力強(qiáng)，但靈敏度相對較差。3.3 555定時(shí)集成電路3.3.1 555的內(nèi)部結(jié)構(gòu)555定時(shí)器是一種功能強(qiáng)大的模擬數(shù)字混合集成電路，其組成電路框圖如圖（3.3.1.1）所示。它由兩個(gè)比較器和（是反向比較器，是同向比較器）、3個(gè)阻值為的電阻組成的分壓器、基本RS觸發(fā)器、放電管T以及緩沖器組成4。 圖3.3.1.1555定時(shí)器結(jié)構(gòu)原理框圖3.3.2 555定時(shí)器的性能特點(diǎn)555定時(shí)器的工作電壓范圍較寬，在+3+18V范圍內(nèi)均能正常工作，其輸出電壓低電平0,高電平+VCC，可與其他數(shù)字集成電路（CMOS、TTL等

9、）兼容，而且其輸出電流可達(dá)到，能直接驅(qū)動繼電器。555的輸入阻抗極高，輸入電流僅為，用作定時(shí)器時(shí)，定時(shí)時(shí)間長而且穩(wěn)定。555的靜態(tài)電流較小，一般為左右。3.3.3 555定時(shí)器的主要功能定時(shí)器的主要功能取決于比較器，比較器的輸出控制RS觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。3個(gè)阻值為的電阻組成的分壓器可產(chǎn)生精確的時(shí)間延遲和振蕩，為電壓比較器和提供基準(zhǔn)電壓。是低電平有效的復(fù)位輸入端。正常工作時(shí)，必須使R處于高電平。 T是集電極開路的三極管，相當(dāng)于一個(gè)受控電子開關(guān)。緩沖器由和構(gòu)成，用于提高電路的負(fù)載能力。CO為控制電壓輸入端。當(dāng)CO懸空時(shí)，當(dāng)TH高觸發(fā)端6腳加入的電平大于，低觸發(fā)端2腳的電平大于時(shí),比較器輸出低電

10、平，比較器輸出高電平，觸發(fā)器置“0”，放電三極管導(dǎo)通，輸出低電平。當(dāng)TH高觸發(fā)端6腳加入的電平小于，低觸發(fā)端2腳的電平大于時(shí)，比較器輸出高電平，比較器輸出高電平，觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路保持原狀態(tài)。 當(dāng)TH高觸發(fā)端6腳加入的電平小于，低觸發(fā)端2腳的電平小于時(shí)，比較器輸出高電平，比較器輸出低電平，觸發(fā)器置“1”,放電三極管截止，輸出高電平。綜合上述分析，可得555定時(shí)器功能表如下：表3.3.3.1555定時(shí)器功能表3.3.4 555組成的基本電路及應(yīng)用555定時(shí)器是一種用途很廣的集成電路，可以接成各種應(yīng)用電路。最常用的有多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。（1）多諧振蕩器：沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)

11、態(tài)。兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，是由電路內(nèi)部電容的充、放電自動進(jìn)行的，所以它不需要外加觸發(fā)信號，只要接通電源就能自動產(chǎn)生矩形脈沖信號。（2）施密特觸發(fā)器：將2、6腳連在一起作為信號輸入端，即得到施密特觸發(fā)器。有兩種穩(wěn)態(tài)，但狀態(tài)的維持與翻轉(zhuǎn)受輸入信號電平的控制，所以輸出脈沖的寬度是由輸入信號決定的。（3）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：只有一個(gè)穩(wěn)態(tài)，在外加觸發(fā)脈沖作用下，能夠從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)態(tài)。但暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間取決于電路內(nèi)部的元件參數(shù)，與輸入信號無關(guān)。因此，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以用于產(chǎn)生脈寬固定的矩形脈沖波形。在本設(shè)計(jì)電路中，555定時(shí)器與、和構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，如圖（3.3.4.1）所示。4腳為復(fù)位輸入端，低電平有效。當(dāng)

12、為低電平時(shí)，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸出為低電平。為保證整個(gè)電路的正常工作，4腳接穩(wěn)壓電源的輸出端。5腳接的電容為高頻濾波電容，以保持基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定。電源接通瞬間，電路有一個(gè)穩(wěn)定的過程，即電源通過電阻和向電容充電，在電容電壓未上升到電源電壓的2/3前，555的3腳輸出高電平，報(bào)警電路工作；當(dāng)電容電壓上升到電源電壓的2/3時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，3腳輸出低電平，報(bào)警電路停止工作，處于預(yù)報(bào)狀態(tài)，同時(shí)放電管導(dǎo)通，電容通過和放電管放電，電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)電壓或電流超過預(yù)定值時(shí)，比較器的輸出端電平變低，相當(dāng)于555的2、6腳輸入一負(fù)脈沖，此時(shí)555的內(nèi)部比較器翻轉(zhuǎn)，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，輸出端3腳變?yōu)楦唠娖角?/p>

13、放電管截止。此后當(dāng)電容兩端電壓充電達(dá)到電源電壓的2/3時(shí)，電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，3腳輸出低電平，同時(shí)放電管導(dǎo)通，電容放電，電路恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。圖3.3.4.1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如果忽略T的飽和壓降，則電容的電壓從零電平上升到電源電壓的2/3所需時(shí)間為。4. 組裝與調(diào)試4.1元件的要求IC1選用L7812三端集成穩(wěn)壓器；IC2選用LM339四電壓比較器；IC3選用NE555定時(shí)集成電路；IC4選用TQ9300音樂芯片。 T1選用硅S8550PNP型晶體管；D1D4均選用1N4007硅整流二極管；D7D10均選用1N4148硅開關(guān)二極管；LED1LED3均選用3mm彩色發(fā)光二極管；LED4選用5mm白發(fā)光二極

14、管6。均采用漏電流小的次片電容；均選用1/4W碳膜電阻器；RV1RV3均選用合成碳膜電位器7。4.2組裝調(diào)試按照原理圖和PCB版圖安裝。先裝集成穩(wěn)壓電路，再裝整流濾波電路，最后安裝變壓器。安裝一級測試一級。對于整流濾波電路主要檢查整流二極管是否接反，安裝前用萬用表測量其正、反向電阻。接入電源變壓器后，整流輸出電壓應(yīng)為正。斷開交流電源，將整流濾波電路與穩(wěn)壓電路相連接，再接通電源，輸出電壓為規(guī)定值，說明直流穩(wěn)壓電源各部分均能正常工作，可以進(jìn)行其它各項(xiàng)性能指標(biāo)的測試。組裝好所有元件后接通電源進(jìn)行調(diào)試。首先進(jìn)行過壓檢測，在正常工作狀態(tài)下慢慢調(diào)整可調(diào)電位器RV1，當(dāng)黃色發(fā)光管亮且電路報(bào)警時(shí)檢測到此時(shí)交流電網(wǎng)的電壓為240V。其次進(jìn)行欠壓檢測，在正常工作狀態(tài)下慢慢調(diào)整可調(diào)電位器RV2，當(dāng)紅色發(fā)光管亮且電路報(bào)警時(shí)檢測到此時(shí)交流電網(wǎng)的電壓為200V。最后進(jìn)行過流檢測，在正常工作狀態(tài)下慢慢調(diào)整可調(diào)電位器RV3，當(dāng)綠色發(fā)光管亮且電