模电课程设计过欠电压保护电路

2011 2012 学年学年 第第 二二 学期学期 模拟电子技术模拟电子技术 课课 程程 设设 计计 报报 告告 题题 目 目 过过 欠电压保护提示电路欠电压保护提示电路 专专 业 业 1010 级级 电子信息工程电子信息工程 班班 级 级 班班 姓姓 名 名 指导教师 指导教师 电气工程系电气工程系 2011 年 5 月 12 日 目目 录录 绪论绪论 3 第一章第一章 系统概述系统概述 7 1 1 系统开发背景 7 1 2 系统研究目的和范围 7 第二章第二章 过欠保护过欠保护电路设计电路设计 8 2 1 设计题目 8 2 2 设计的目的 8 2 3 设计任务及要求 8 2 4 给定元器件 8 2 5 总体说明 9 2 5 1 电路原理 9 2 5 2 555 定时器级引脚图 9 2 5 3 直流稳压电源电路 11 2 5 4 延时启动电路 12 2 5 5 电压检测电路 13 2 5 6 继电器控制与显示电路 14 第第三章三章 保护电保护电路实现路实现 14 3 1 电路的工作原理 14 3 2 性能的测试 仿真 15 3 2 1 直流稳压电源的测试 15 3 2 2 延时电路性能测试 17 3 2 3 电路整体性能测试 18 铜陵学院课程设计 3 3 3 结论 20 3 4 课程体会及合理化建议 20 第四章第四章 总结总结 21 参考文献参考文献 22 附录附录 I I 元器件清单元器件清单 23 附录附录 IIII 元器件清单元器件清单 24 附录附录 答辩记录及评分表答辩记录及评分表 25 铜陵学院课程设计 4 绪绪 论论 进入 21 世纪以来 人类的科学技术有了新的突破和发展 特别是近几年来 电子技 术的飞速发展给人们带来了无限的便利和舒适 人类的传统生活方式也发生着翻天覆地 的变化 随着电子技术的不断发展 传统集成电路技术的缺点和局限性越发明显 其不稳定性 易干扰性等大大限制了该技术的应用 且有阻碍电子技术发展的趋势 而后来兴起的模 拟电子电路以其先天的便捷 稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位 模拟电子电路 Analog Circuit 是处理模拟信号的电子电路 模拟信号是时间和幅 度都连续的信号 连续的含义是在某以取值范围那可以取无穷多个数值 模拟电子技术 是一门研究对仿真信号进行处理的模拟电路的学科 它以半导体二极管 半导体三极管 和场效应管为关键电子器件 包括功率放大电路 运算放大电路 反馈放大电路 信号 运算与处理电路 信号产生电路 电源稳压电路等研究方向 随着集成技术的进一步提高 各种新技术的出现和应用 人类历史横跨数码时代向更 进一步发展已出现在各大型相关企业的宏伟蓝图中 例如在我们的日常生活中 许多电器需要在正常的电压下才能工作 过压 欠压或者 掉电都会给我们的设备造成严重的损失 对此传统的模拟电子技术已不能很好的解决该 问题 特别是在工业控制领域 用电设备通常工作在三相电源中 而很多用电设备在使 用中对相应提供的工作电源有着较高的要求 通常电网产生的电压偏高 是指给定的瞬 间设备端电压 U 与设备额定电压 Un 之差 又因为大功率电动机的起动 电焊机的工作 特别是大型电弧炉和大型轧钢机冲击性负荷的工作 均会引起负荷的急剧变动 使电网 电压损耗随之产生相应变动 从而使用户公共供电点的电压出现波动现象 而上述情况 所造成的电压波动 又会给用电设备造成不应有的过压 欠压现象 如长时间供给用电 设备 则会对用电设备造成损坏 所以在用电设备使用中 若加入相应的保护电路 则 当供电线路出现过 欠 压时 有保护电路进行有效保护 就能确保用电设备安全正常 运行 对此 过 欠电压保护提示电路就应运而生了 所以我们拟对过 欠电压保护提示电 路做针对性的课程设计 过 欠电压保护提示电路课程设计是学生学完了过 欠电压的课程后 对过 欠电压保 护提示电路设计过程以及电路结构进一步了解的练习性的教学环节 是学习深化与升华 的重要过程 是对学生综合素质与工程实践的能力培养 在指导教师指导下合作完成过 欠电压保护提示电路设计任务 编写符合要求的设计说明书 并正确绘制相关图表 在 课程设计过程中 应综合运用多种学科的理论知识与技能 分析并解决课程设计上的问 题 铜陵学院课程设计 5 依据该课程设计的任务 系统性地进行资料的收集 加工与整理 正确使用工具书 培养学生掌握相关课程设计的程序 方法与技术规范 在该过程中 要实现当异动的电 网电压高于或低于用电设备的正常工作电压范围时 过 欠压警报装置能自动切断用电 设备的电源 从而起到保护用电设备的作用 当电网电压恢复到正常范围后 经过过 欠电压报警装置电路的延迟 将自动恢复电网电压对用电设备的供电 保证了用电设备 的正常安全运行 此次课程设计是学完课本课程之后的一次重要实践 是我们步入社会的一次深刻的 链接 考察了我们合作设计和分析的能力 同时提高了我们查阅各种设计手册获取必要 信息的能力 也让我们了解了过 欠电压保护提示电路课程设计的一般步骤 获益匪浅 本设计 电冰箱过压欠压保护器 为全模拟电路组成 是模拟电路的一个很基础的 综合运用 具有较好的理论与实践的学习指导意义 铜陵学院课程设计 6 第一章第一章 系统概述系统概述 1 1 系统开发背景 随着现在电气设备的普及 给工农业生产 国防事业 科技带来了革命性的变化 加快了社会的发展 人们步入了电气化时代 也是人们的生活质量得到了大幅度的提高 也越来越离不开这些电器设备 而随着科技的发展 电器设备的精度也逐渐提高 发生 了翻天覆地的变化 但是如何保护好这些电器设备的使用不受外界的干扰 成了当今科 技发展关注的主要问题 随着我国的电网普及 庞大的电网系统给了我们许多方便 但是随着介入电网的用 户增多和用户电器的多样化 也造成了电网电压的不稳定 忽高忽低的电压 也成了损 坏电器设备的主要因素 如何在电压变化较大时保护好用电设备 成了人们现在研究的 一个方向 而过 欠电压保护提示电路的设计与使用 成为解决这一问题的有效方法 1 2 系统研究目的和范围 长期以来 综合课程设计是以理论课教学 课程实验和课程设计等教学环节构成的 我们在教学实践的过程中 结合理论教学的进程 利用计算机的电子设计自动化软件在 计算机上进行基础验证模拟仿真实验 作为教学的补充 通过人机对话的方式 能使我 们每个人都能亲自动手搭接电路 进行元件接线 参数设定 边连线 边测试 边修改 边分析 并与理论计算结果进行对照 通过软件的 Component Properties 元件属性 可随时调整和修改元器件参数 分析各元件参数对电路的作用与影响 调试和测量过程 就是最好的学习过程 在这样的实验中 把实验与理论有机的结合起来 加深了我们对 理论的认识 铜陵学院课程设计 7 第二章 过欠电压保护电路设计 2 1 设计题目 过 欠电压保护电路设计 2 2 设计的目的 1 培养学生根据需要选学参考书 查阅手册 图表和文献资料的自学能力 通过独立思考 深入钻研 有关问题 学会自己分析解决问题的方法 2 通过实际电路方案的分析比较 设计计算 元件选取 仿真等环节 初步掌握简单实用电路的分析 方法和工程设计方法 3 掌握常用仪表的正确使用方法 学会简单电路的分析与设计 4 了解与课程有关的电子电路以及元器件工程技术规范 能按课程设计任务书的技术要求 编写设计 说明 能正确反映设计和实验成果 能正确绘制电路图 5 培养严谨的工作作风和科学态度 使学生逐步建立正确的生产观点 经济观点和全局观点 2 3 设计任务及要求 1 过欠电压对电源的波动范围有一定的要求 而供电电源 其波动幅度有时会超出普通电路的允许 波动范围 当电路在运转时 如遇电网意外断电又迅速恢复 供电 会使原电路中的某些器件受压力过 高而受损为了保证原电路能安全工作于规定的电源范围内 并且防止电路中的器件损毁 在其的供电 电源端接入保护电路是非常必要的 2 2当电压在市电正常范围内 180V 250V 该灯发亮 否则会熄灭 NE555时基电路组成延 迟记忆电路 当市网电压过压 250 或欠压 时能自动切断电路交流供电电源 3 上电 欠过压保护或瞬间断电时 要延迟一段时间才能通电 复电延时功能 从停电到来电时能 延时3 4S再接通原电路的交流电源 4 绿色的LED 发光表示负载正常工作 红色的LED 发光表示负载不工作 2 4 给定元器件 铜陵学院课程设计 8 LM339 555定时器构成的振荡器 比较器 电阻 放大器 继电器等元器件进行设计的 其具体元器件及其型号见附录其具体元器件及其型号见附录 I I 2 52 5 总体说明总体说明 2 5 1 2 5 1 电路原理电路原理 方案说明方案说明 设计一个电路保护电路 当电压处于 180V 250V 范围内负载正常工作 当电压高于 250V 或低于 180V 时 电源被切断 负载停止工作 当停电或重新来电时 负载延时 4S 再通电运转 原理框图如图 1 2 5 22 5 2 555555 定时器及引脚图定时器及引脚图 555 定时器 IC 选用 CB555 其管脚外形图如图 2 所示 工作电压 11V CC V 图 2 2 555 定时器引脚排列 图 2 1 过 欠电压保护电路原理框图 电源 电路 延时控 制电路 电压检 测电路 控制执 行电路 铜陵学院课程设计 9 定时器是一种产生时间延迟和多脉冲信号的控制电路 555 定时器是用途极广的精密 定时电路 它的电源电压范围宽 5 18v 输出电流最大值可达 200mA 能直接驱动大 电流负载 最高工作频率可达 300Khz 555 定时器有两个输入端 分别称作阈值输入端 TH 和触发输入端 有一个输入端 Q 此外 还有一个放电开关引出端 D TR 当在两个输入端 TH 和 分别加入输入电压时 根据二输入电压值的不同情况 就可TR 以控制输出端 Q 的状态 为低电平或高电平 以及放电开关 D 的状态 是导通还是截止 555 定时器的所有应用都是基于这一特性 它的功能表如表 2 1 所示 输 入输 出 R TH TR QD 0XX 低电平导通 1 2 3 CC V 1 3 CC V 低电平导通 1 2 3 CC V 1 3 CC V 高电平截止 1 1 3 CC V 保持原状态保持原状态 表 2 1 555 定时器功能表 铜陵学院课程设计 10 2 5 32 5 3 直流稳压电源电路直流稳压电源电路 图 2 3 直流稳压电源 电源电路由变压器 T 二极管桥式整流 三端集成稳压块 A1 稳压及电容 C1 C2 滤波等 部分构成 构成这个电路的主要目的是为时基电路和继电器控制电路提供 12V 稳定直流 电压 铜陵学院课程设计 11 2 5 42 5 4 延时启动电路延时启动电路 图 2 4 延时启动电路 当电网断电又来电时 由于 C1 比 C2 两端电压上升慢 因此 R2 取样电压低 555 被置位 3 脚 输出高电平 LED2 亮出于保护状态 虽然 C1 两端电压能很快恢复 R2 取样电压升高 VD5 截止 但 555 不能马上复位 这是由于 C4 只有 C4 电压经 R4 充电至 2 3VDD 而且 2 脚电压大于 1 3VDD 时 555 才能翻转 LED2 熄灭 LED1 亮 延时启动时间 t 1 1C4 R4 铜陵学院课程设计 12 2 5 52 5 5 电压检测电路电压检测电路 图 2 5 电压检测电路 当电网电压高于 250V 时 电位器 R1 取样电压升高 稳压二极管 VS 击穿 VT 导通 其集电极输 出低电平 VD6 导通使 555 的 2 脚处于低电平 555 翻转 3 脚输出高电平 LED2 亮 表明电源被切 断 当电网电压低于 180V 时 电位器 R2 取样电压下降 VD5 导通 555 的 2 脚电平下跌 555 随之翻 转 3 脚输出高电平 LED2 亮表明电源被切断 当电压处于正常范围内时 R1 取样电压低 VS VT VD6 都截止 同时 R2 取样电压高 高于 555 的 2 脚电平 所以 VD5 也截止 此时 555 处于复位态 3 脚输出低电平 LED1 亮 表明负载正 常工作 铜陵学院课程设计 13 2 5 6 继电器控制与显示电路 图 2 6 继电器控制与显示电路 继电器的控制原理是依据 555 的 3 脚输出电平的高低决定的 当 3 脚输出高电平时 继电器 K 吸 合 电源被切断 当 3 脚输出低电平时 继电器 K 不变化 负载正常工作 第三章第三章 保护电路的实现保护电路的实现 3 1 电路的工作原理 接通电源后 220V 交流电经变压器的降压 整流桥的整流 稳压器 7812 的稳压后 在 RP2 和 RP3 两端可获得约 12V 直流工作电压 根据变压器的变压系数 调整电位器 RP2 和 RP3 使市电电压在正常范围内 上 下比较器都输出高电平 此时 VT1 导通 电 压指示灯 LED 保持发亮 因为 C1 两端初始电压为 0 555 时基电路的阈值端 6 脚为高电 铜陵学院课程设计 14 平 555 时基电路复位 三极管 VT2 截止 继电器 K1 的常闭触点保持吸合 负载被切断 然后电源向 C1 充电 使 2 6 两脚电位不断下降 约经过 5s 可使电位降至 12V 电压的 1 3 555 时基电路才置位 3 脚输出高电平 VT2 导通 继电器 K1 通电吸合 其常闭 合触点 K 1 断开 电冰箱通电工作 当交流电网意外断电时 C1 储存电荷通过 R2 D5 迅速泄放 当电网恢复供电时 电路又要延迟 4s 左右才向电冰箱供电 从而确保负载不 受损 1 当市电电压升高到 240V 以上 上比较器输出低电平 市电电压下降到 185V 以下 下 比较器输出低电平 只要两者之一输出低电平 VT1 截止 LED 熄灭 此时 6 脚为高 电平 555 时基电路复位 输出端 3 脚为低电平 电冰箱电源被切断 从而使电冰箱在 电压过高或过低的情况下自动停止工作 保证了电冰箱能安全工作于规定的电源范围内 当电压恢复正常时 电路要延迟 4S 左右才向电冰箱供电 基电路组成延迟记忆电路 我 们用绿色的 LED 发光表示负载正常工作 红色的 LED 发光表示负载不工作 3 2 性能的测试 仿真 3 2 1 直流稳压电源的测试 直流稳压电源测试仿真电路如图 3 1 所示 直流稳压电源输出电压波形如图 3 1 所示 铜陵学院课程设计 15 图 3 2 直流稳压电源输出电压波形 铜陵学院课程设计 16 3 2 2 延时电路性能测试 图 3 3 延时电路仿真测试电路图 图 3 4 延时电路仿真结果 铜陵学院课程设计 17 3 2 3 电路整体性能测试 电压 V 260 时电路仿真结果如图 3 5 图 3 5 电压 V 240 时电路仿真结果 此时亮红灯表明电源切断 铜陵学院课程设计 18 V 160 电路仿真结果如图 3 6 图 3 6 V 160 电路仿真结果 铜陵学院课程设计 19 3 3 结论 通过桥式整流器 稳压二极管 555 定时器 实现了负载的过电压与欠电压保护以及 延时启动的要求 符合实验要求 工作稳定 达成了预期目的 3 4 课设体会及合理化建议 由于该保护器原理图是由直流电源 取样电路 延时电路 控制电路四部分组成 且总体仿真不容易成功 因此 我必须把每个部分单独进行仿真 首先 对直流电源部 分进行仿真 观察仿真结果的输出电压是否符合起初预设电压 其次 对取样电路进行 仿真 仿真时要按照论文的要求去分别仿真 起初分析过压的情况 进而分析欠压的情 况 最后 对延时部分的电路进行仿真 调节电容和电阻的数值 使其延时的时间达到 5s 以上 有于控制电路部分简单 属于数字电路 即仿真结果与理论分析肯定会一致的 课程设计是一个实践的平台 在设计过程中 我通过不断学习 制作 让我掌握了 很多东西 既熟悉了软件的使用 也进一步提高了自己设计电路的能力 更重要的是 通过这次锻炼 增强了我的动手处理能力 扩大了想问题的角度 学会了如何分析电路 问题 如何去查找并改正电路中的错误 如何把大的问题最小化 并一一解决 通过这 两周的课程设计我更加熟练的掌握了一些绘制仿真电路和设计一些简单电路的基本知识 我相信这将会对我将来的工作和学校有着很好的帮助 铜陵学院课程设计 20 第四章第四章 总总 结结 自此 过压欠压保护器的理论分析 电路仿真 相关软件介绍 电路制作流程 相 关调试等过程已经全部阐述完毕 通过此次设计研究电冰箱过压欠压保护器实践 可以更加充分的领会模拟电路在实 际电子产品设计中的运用规律 从此次设计可以学习运用电路仿真软件对电子线路进行 整体和局部的调试工作 通过对仿真产品和理论计算之间误差值的分析和体会 可以更 好地将理论计算与实际误差之间的关系有机的结合起来 通过对工作环境的考虑 能认 识到电子元器件的性能变化的受环境因素的非线性关系 此次设计是一个完整电子运用的详细过程 从中基本结合了大学阶段模拟电路与电 路分析的全部基础理论知识以及对仿真软件 设计软件和调试器材等知识的基础运用 是一次有较高学习性质的设计实验 从本次过压欠压保护器的设计可以让我们更具体的看到现代电子技术在实际工作中 的运用是巨大的 科学的 无处不在 无论小到像此保护器一样的小型电子运用 还是 大到像飞机 汽车等大型工业产品的运用 以模拟电路 数字电路为主要理论框架的现 代电子技术都是其他任何事物所不能替代的 铜陵学院课程设计 21 参考文献参考文献 1 童诗白 华成英主编者 模拟电子技术基础 M 北京 高等教育出版社 2006 年 2 谭博学主编 集成电路原理与应用 M 北京 电子工业出版社 2003 年 3 谢自美主编 电子线路设计 实验 测试 M 武昌 华中科技大学出版社 1992 年 4 戴伏生主编 基础电子电路设计与实践 M 北京 国防工业出版社 2002 年 铜陵学院课程设计 22 附录附录 I I 总电路图总电路图 铜陵学院课程设计 23 附录附录 IIII 元器件清单元器件清单 序号编号名称型号数量