市电过压欠压报警电路.doc

军械工程学院本科毕业论文摘 要本设计是一种实用新型的过电压、欠电压保护电路，属于自动保护型电路。将电路接在外部总电源的输入端，当市电高于或低于设定电压时，该保护电路自动切断电源输入，并同时进行报警，起到防止用电器受损和提示用户采取相应的措施。设计电路主要包括连接外部电源电压的输入端和电器设备内部的电路等。外部电源输入端连接一个自动保护控制电路的输入端，控制电路的输出端连接总电源供电输出端。在正常工作时自动控制电路对其输入端接收到的外部电源电压进行取样检测，在高于或低于其设定电压值时，通过其输出端的保护电路将内部电源电路的输出端电压拉低到零伏，进而控制电源电路停止工作，达到过压、欠压保护的目的。此类小型集成电路属于简单型，包括电源稳压电路、过电压检测电路、欠电压检测电路、保护执行电路、声、光报警电路。本电路实用新型，保护电路所提出的电路结构简单、成本低廉、容易实现，有效的提高了系统运行的可靠性，增加投入市场的效益。目前多种小型保护电路的研发和设计已在一定程度上有了较好的发展，在投入市场后，将会给人们的生活带来许多方便和收益。关键字：非门集成电路、稳压、整流电路、晶体三极管AbstractThe practical design is a new type of over-voltage, under voltage protection circuit is automatic protection circuit. In the external circuit to the total input power when electricity higher or lower than the voltage settings, the protection circuits automatically cut power input and alarm at the same time, helps prevent damage to electrical appliances and prompt the user to the corresponding measures. Design circuit including connecting the external power supply voltage input and electrical equipment within the power supply circuit. External power input to connect an automatic protection of the input control circuit, the output control circuit connecting the power supply output. In the normal working hours of its automatic control circuit termination received by the external input supply voltage detection for sampling in the higher or lower than the value of its voltage settings, through its output-circuit protection of the internal power supply circuit output voltage lowered to zero volts, thereby control the power supply circuit stop working, to over-voltage, less-voltage protection purposes. Such small-scale integrated circuits are simple, including the power supply circuit, the electric voltage detection circuit, less voltage detection circuit protection circuit implementation, sound, light alarm circuit. The utility model protection circuit by circuit structure is simple, low cost, and easy to implement, and effectively improve the systems reliability, increasing the efficiency of the market. Current protection circuit for a variety of small-scale research and development and has been designed to a certain extent, a good development. Over voltage protection circuit which, under voltage protection circuit or automatic over-voltage, under voltage protection circuit, and so was a patent in the market, will be brought to peoples lives in many convenience and benefits.Key words: Be not door IC , stabilivolt , commutation circuit , transistor19目 录摘要.Abstract.第一章 绪论.1 1.1 课题研究的背景.1 1.1.1 研究背景.1 1.1.2 课题研究的对象及意义.1 1.2 本课题的主要工作 .2.第二章 对主要器件的简介.32.1 对CD4069的介绍.32.2 电磁继电器的内部结构.42.3 三极管的选用.52.4 开关二极管的特性.62.5 检测电路的选用.62.6 与其他保护器电路的特点.6第三章 报警电路的组成.73.1 报警电路工作原理图.73.2 稳压电路的组成.73.2.1 稳压. .83.2.2 整流.93.2.3 滤波.93.3 过压保护电路.93.4 欠压保护电路.103.5 保护动作电路.103.6 音频发声电路.10第四章 该报警电路的主要调整 124.1 过压保护值的调整124.2 欠压保护值的调整124.3 稳压电路的调整124.4 继电器的调试134.5 晶体三极管的调整134.6 稳压二极管及开关二极管的调整134.7 发光二极管的调整144.8 电路模拟接入市电网后的调整14结论与心得15参考文献16致谢17附录18市电过压欠压报警电路第一章 绪 论11 课题研究的背景 1.1.1 研究背景在当今电子科学技术飞速发展的时代，我国的电子科学技术水平已上了一个新的台阶。工业、农业、生活上，各种相应电子仪器的创新发明，技术改进已进入了成熟阶段,各类型用电器在生活中占重要地位，电子产品的发展前景十分广阔，各类型的保护器也应运而生。1.1.2 研究的对象及意义本课题研究的是保护器件在市电过压或欠压状态时能自动报警、并同时自动地切断电源，起到防止非正常电压对用电器造成损害的作用。保护器件在发出报警信号后，用户及时采取相应措施，防止不必要损害的发生。在生活中，普遍存在用电相对紧张，结构布线不合理等现象，各种电器的运用不当或超压用电时,都会对电器造成一定的损坏，常给人们带来一定麻烦。电子设备离不开电源，电源的质量直接影响着电子设备的工作可行性，当安装上该报警器后，好比给用电器配上了安全卫士，方便、省心。 1.1.3 发展前景该报警器生产成本较低，市场广阔。但由于目前该产品的发展处于初级阶段，还没有被广大用户接受，相信在不久的将来，随着人们科普意识的增强，在实际生活中会得到更为广泛应用。我国由之前的生产简单元器件、小型集成电路或依靠外国技术才能研发电子类产品的时代将要过去，我国的现有科技研发水平已有较大的提高，许多小型集成电路的研发并申请专利成功，将进一步促进我国研发项目在高尖端的技术上的成功。1.2 本课题的主要工作课题主要解决的是当市电压高于220V或过低于190V时该报警电路自动对市电用户进行报警，并同时切断电源，从而保护用电器，避免由此造成损害或造成损失。第二章 对主要器件的简介2.1 对CD4069的介绍 CD4069内部是由六个反向器单元电路构成的，其引脚排列如图2.1 所示。反向器是执行逻辑反向功能的电路。其逻辑符号和真值表如图2.2所示，逻辑关系的特点为：点输入端为高电平“1”时，输出端为低电平“0” ；当输入端为低电平“0”时，输出端为高电平“1”。反向器的逻辑关系表达式为 式中，Y为输出端，A为输入端。图2.1 CD4069 引脚图 图2.2 反向器符号及真值表 如果只用了CD4069六反向器集成电路中的两个，则其余反向器的输入端应接 Vdd 或 Vss 。在本设计中，用到了CD4069的六个非门电路来实现整个电路的连接及运转。2.2 电磁继电器的内部结构 电磁继电器结构及工作原理与接触器大体相同。由电磁系统、触点系统和释放弹簧等组成，原理如图2.4所示。当通过线圈2的电流超过某个定值时，衔铁3所受的吸引力大于弹簧6对它产生的反力，它就被铁心1吸合，带动机械装置使长开触头闭合，长闭触头断开。若继电器断电，在恢复弹簧作用下使触头回复原位。由于继电器用于控制电路，经过触点的电流比较小(一般5A以下)，故不需要灭弧装置。1、铁心 2、吸引线圈 3、衔铁 4、常开触头5、常闭触头 6、恢复弹簧图2.3 继电器结构原理图 继电器的主要特性是输入-输出特性，又称继电特性，继电特性曲线如图2.5所示。当继电器输入量X由零增至X2以前，继电器输出量Y为零。当输入量X增加到X2时，继电器吸合，输出量为Y1；若X继续增大，Y保持不变。当X减小到X1时，继电器释放，输出量由Y1变为零，若X继续减小，Y值均为零。图2.4 继电器输出特性图图2.6中，X 2称为继电器吸合值，欲使继电器吸合，输入量必须等于或大于X2；X1称为继电器释放值，欲使继电器释放，输入量必须等于或小于X1。KfX1X2称为继电器的返回系数，它是继电器重要参数之一。Kf值是可以调节的。一般继电器要求低的返回系数，Kf值应在0.10.4之间，这样当继电器吸合后，输入量波动较大时不致引起误动作；欠电压继电器则要求高的返回系数，Kf值在0.6以上。设某继电器Kf0.66，吸合电压为额定电压的90，则电压低于额定电压的50时，继电器释放，起到欠电压保护作用。2.3 三极管的选用 三极管具有电流放大作用，主要用于电路中起放大作用。它的实质是能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。将Ic/Ib的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“”表示。电流放大倍数对于某一三极管来说，是一个定值，但随着三极管工作时间的增长，基极电流的变化也会有一定的改变。 三极管有三个工作区域：放大区，截止区和饱和区。三极管在截止区时为关，在饱和区时为开，因此三极管具有开关作用。开关三极管的工作电压、电流由三极管的参数决定.。它与外围电路搭配可具有开关作用,振荡作用,限幅作用等。 小功率NPN型三极管有:A42、9014、9018、 9013、9012等型号。在本设计方案中主要采用了9013型的三极管。2.4 开关二极管的特性 开关二极管是利用其单向导电特性使其成为一个比较理想的电子开关,它除了满足普通的二极管的性能指标外还具有良好的高频开关特性,被广泛用于各种加点及控制电路中。在本方案中应用的1N4148为硅高速开关二极管。图2.5 开关二极管的应用电路图2.5 检测电路的选用本报警电路采用非门集成电路（CD4069）配合微调电阻等组成电压检测电路作为过电压、欠电压的检测电路，其灵敏度比晶体三极管组成的检测电路高得多，因为三极管工作在开关状态时尚需一定条件。2.6 与其他保护器的特点 与采用晶体三极管的保护器和采用集成三端稳压器的保护器以及一些使用精密电子电路的保护器相比，本保护器电路原理较简单，成本较低。第三章 报警电路的组成3.1 报警电路工作原理图该电路的工作原理图如下:图3.1 市电过压、欠压自动报警电路图 电路图主要有六非门集成电路（CD4069）及电阻、电容、三极管、二极管、继电器等组成。其中CD4069未用到的 脚和 脚接地。3.2 稳压电路的组成 如图3.1所示，市电电压一路由C3降压,VDW稳压,VD6、VD7、C2整流滤波输出12V的稳定直流电压供给电路。另一路由VD1整流，R1降压、C1滤波，在PR1、PR2上产生约10.5V的电压检测市电电压变化输入信号。 该电路采用直流电源电压。3.2.1 稳压 稳压利用稳压二极管组成的稳压电源电路是利用二极管的稳压特性即利用二极管工作在反向击穿区，反向电流变化很大的情况下，反向电压变化则很小,从而表现出很好的稳压特性。图3.2 稳压二极管曲线图 如图3.2 所示，当反向电压达到UZ所示时，即使电压有一微小的增加。反向电流也会迅速增加，二极管处于击穿状态。如果把击穿电流限制在一定的范围内，则二极管就可以长时间反向击穿状态下稳定工作。报警电路中使用稳压二极管（VDW处）作为串联型稳压电路，工作原理如图3.3所示：图3.3 串联型稳压二极管电路图图3.4 串联型稳压二极管电压变化流程图3.2.2 整流 整流是将正弦信号转换为只有正半周的信号，可以是全波整流，也可以是半波整流。整流的作用主要是将正弦信号变成脉动的信号，使其出现直流分量（这时的信号可以认为是交流信号和直流信号的叠加） 。图中利用两个整流二极管（VD6、VD7）来实现整流。3.2.3 滤波 滤波是已经将正弦信号变成了脉动的信号，这时将既有直流成分又有交流成分的脉动信号中的交流信号滤掉。这步很简单，加一个电容就可以了，电容越大，滤波效果越好，最低100UF，但一般有220UF，甚至1000、10000UF，这要看所接负载的要求了. 3.3 过电压检测保护电路 非门IC1A、IC1B与开关二极管VD2等组成过压检测电路。当市电正常时，非门IC1A输出高电平，IC1B以及欠压检测部分的IC1C输出低电平，发光二极管LED1、LED2均截止不发光，晶体三极管VT截止，电磁继电器J不动作，电路正常供电，此时B点为高电平，IC1D输出低电平，开关二极管VD5导通，C点为低电平，音频脉冲振荡器停止，压电陶瓷片YD不发声。当 220V 市电正常波动及过压达 250V 时，非门IC1B输出高电平，使A点变为高电位，晶体三极管VT饱和导通，电磁继电器J通电吸合，断开电器电源，此时B点变为低电位，非门开关电路IC1D输出高电平，开关二极管VD5截止，反向电阻很大，相当于开路，音频脉冲振荡器起振，YD发出报警声，同时相应的发光二极管LED1发光指示。3.4 欠电压检测保护电路非门IC1C以及为欠电压检测。当 220V 市电正常波动及欠压达 190V 时，IC1C输出高电平，使A点变为高电位，晶体三极管VT饱和导通，电磁继电器J通电吸合，断开电路电源，此时B点变为低电位，非门开关电路IC1D输出高电平，开关二极管VD5截止，反向电阻很大，相当于开路，音频脉冲振荡器起振，压电陶瓷片YD发出报警声，同时相应的发光二极管LED2发光指示。3.5 保护动作电路晶体三极管VT和继电器J组成动作保护电路。当市电压处于正常状态时，A点处为低电平，三极管VT截止，作为开关的继电器J不动作，电路正常供电。音频发声电路不导通。当市电压处于过压或欠压状态时，A点处输出高电平，三极管VT饱和导通，继电器J通电吸合，断开输出电路的电源。此时B点变为低电平，非门IC1D输出高电平，开关二极管VD5截止，反向电阻很大，相当于开路，音频振荡器起振，发出报警的“笛、笛”声。3.6 音频发声电路非门IC1D与开关二极管VD5作为开关，非门IC1E、IC1F以及压电陶瓷片YD等组成音频脉冲振荡器。图3.5 简易的多谐振荡器图第四章 报警电路的主要调整4.1 过压保护值的调整用自耦变压器输出交流 250v ，送入电源变压器的初级，然后调节 RP1 ，使过压指示灯 LED1 点亮即可。4.2 欠压保护值的调整欠压保护阈值的调整用自耦变压器输出交流 190v ，送入电源变压器的初级，然后调节 RP2 ，使欠压指示灯 LED2 点亮即可。 4.3 稳压电路的调整稳压电路中选用的整流二极管1N4007为全波整流。当输入电压处于交流电压的正半周时，二极管D1导通，输出电压Vo=Vi-VD1。当输入电压处于交流电压的负半周时，二极管D2导通，输出电压Vo=Vi-VD2。图4.1 二极管全波整流电路由上述分析可知，二极管全波整流电路输出的仍然是一个方向不变的脉动电压，但脉动频率是半波整流的一倍。通过与半波整流相类似的计算，可以得到全波整流输出电压的有效值Vorsm=0.9Ursm。全波整流输出的直流脉动电压仍然不能满足电子电路对直流电源的要求的，必须经过平滑（滤波）处理。与半波整流相同，平滑处理电路是在全波整流的输出端接一个电容。电容在脉动电压的两个峰值之间向负载放电，使输出电压得到相应的平滑。4.4 继电器的调试 欠电压继电器则要求高的返回系数，Kf值在0.6以上。设某继电器Kf0.66，吸合电压为额定电压的90，则电压低于额定电压的50时，继电器释放，起到欠电压保护作用。 另一个重要参数是吸合时间和释放时间。吸合时间是指从线圈接受电信号到衔铁完全吸合所需的时间；释放时间是指从线圈失电到衔铁完全释放所需的时间。一般继电器的吸合时间与释放时间为0.050.15s，快速继电器为0.0050.05s，它的大小影响继电器的操作频率。4.5 晶体三极管的调整晶体三极管主要为检测其性能好坏及判别极电极。在实际应用中，中小功率的三极管多焊接在印刷电路板上，由于元件的安全密度大，拆卸比较麻烦，所以在检测是常常通过用万用表直流电压档，去测量被测三极管各引脚的电压值，来推断其工作是否正常，从而判断其性能的好坏。4.6 稳压二极管及开关二极管的调整普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管，对截止频率的反向恢复时间要求不高，只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管即可，如1N系列。开关稳压电源的整流电路中使用的整流二极管，应用工作频率较高、反向恢复时间较短的整流二极管。稳压二极管一般用在过电压保护电路中作为保护二极管。二极管的稳定电压值应与应用电路的基准电压值相同，稳压二极管的最大稳定电流应高于应用电路的最大负载电流的50%左右4.7 发光二极管的调整限流电阻应使相应的发光二极管的工作电流约为 10mA ，发光亮度适宜，且延长管子使用寿命4.8 电路模拟接入市电网后的调整 调试时，用一台调压器供电，调节电压为正常值（220V），用一白炽灯作负载，使LED1、LED2均熄灭，白炽灯亮，然后将调压器调至上限值或下限值，调RP1或RP2使LED1或LED2刚好发光，白炽灯熄灭，即调试成功。结 论 与 心 得 按原理图装好报警电路,通过对材料的分析和各器件的运行检测得出了该报警电路的可行性。在对本设计的写作过程中掌握了更多的电子器件方面的知识，对各种保护电路和报警电路等有了更多、更深的了解，对以后的工作、生活都有很大的帮助。在导师细心的指导下，掌握了更多的电气知识和在电气方面的研发能力，对今后的帮助很大。参 考 文 献张双庆 实用电子电路200例 机械工业出版社王港元 电子技能基础 四川大学出版社曲学基 王增福 曲敬铠 新编高频开关稳压电源 电子工业出版社 2005年杨萌福 段善旭 朝泽云 电力电子装置及系统 清华大学出版社张双庆 电子元器件的选用与检测 机械工业出版社全新实用电路集粹丛书编委会 电源应用电路集粹 机械工业出版社 2005年方大千 鲍俏伟 使用电源及其保护电路 人民邮电出版社周志敏 周纪海 纪爱华 电工电子实用电路 电子工业出版社 2005年刘征宇 电子电路设计与制作 福建科学技术出版社 2003年致 谢本学位论文是在史林杰教授的悉心指导下完成的，从论文选题到完成论文都浸透了恩师们的大量心血和精力，导师渊博的知识、严谨的治学态度和求实精神、精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风