家庭延迟保护电路

-.z.Protel课程设计任务书学生**：王兵专业班级：电信1102指导教师：李达工作单位：信息工程学院题目七：家电延时保护器电路的原理图设计初始条件：熟练使用Protel99se(或ProtelD*P)印制板设计系统，使用PROTEL软件，新建和加载原理图工程文件及原理图设计环境的设置，熟练掌握如何进展原理图设计、原理图仿真的方法，设计原理图并生成网表。要求具有较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力，对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备电子电路的根本设计能力及根本调试能力。要求完成的主要任务：〔包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求〕1、完成家电延时保护器电路的设计。2、画出完整的家电延时保护器电路的原理图3、分析家电延时保护器电路的原理。4、完成Protel课程设计报告〔应包含电路原理图，原理分析，元件清单、设计总结〕。时间安排:(1)布置课程设计任务,查阅资料,学习"Protel教程"十周；(2)进展编程设计一周；(3)完成课程设计报告书一周；指导教师签名：年月日系主任〔或责任教师〕签名：年月日目录一本课题的主要任务和研究内容11.1本课题的主要任务11.2本课题研究的内容2二电路原理图2三原理分析33.1直流稳压电源局部43.2延时电路53.3比拟器63.4继电器7四元器件的选择与计算84.1直流稳压电源局部元器件的选择84.2比拟器的元器件的选用84.3定时器IC的选择8五制作过程105.1绘制原理图105.2生成pcb13六个人体会14七附录157.1原理图157.2pcb图157.3材料清单16参考文献17-.z.一本课题的主要任务和研究内容1.1本课题的主要任务电冰箱是一种间歇工作的家庭电器，在接通电源后，其压缩电动机处于启动、运行、终止的反复循环过程。根据我国家用电冰箱技术标准的规定，电冰箱的电源电压应在175～235v范围内才能保证电冰箱的正常启动和运行。这是由于电冰箱的压缩机作为电动制冷器具的核心部件,其工作的平安性不仅关系到用户的财产平安,而且关系到用户的人身平安，并且压缩机都是在负载条件下启动的。启动时要求电动机启动转矩较大，如果在电源电压低于允许的下限值的情况下，势必迫使电动机的启动电流成倍增长，超过设计的允许的限度。电冰箱内设的热保护装置对这种瞬间大电流的反响较差，因而极易造成电动机绕组的烧毁。另一方面，在电冰箱的压缩机处于工作状态时，不允许在电源突然中断后的短时间内重新接通电源。因为压缩机工作时，压缩泵一侧自蒸发器将低压制冷剂蒸发抽出，经过压缩成为高温高压蒸汽，自另一侧送往冷凝器，实现向空间排热。两侧压力差最大时可到达十一个大气压，压缩机中断运行后，须经一定的时间才能恢复两侧的平衡，最好保持在五分钟左右；倘假设压缩机运行中出现断电后又很快接通的情况，由于两侧存在很大的压力差，电动机启动时的负载很大，启动电流较正常值成倍增加，从而带来烧毁电动机的危险。为了防止上述危险的发生，我们应该给电冰箱配备一个冰箱保护器，该保护器能够在电网电压过压或欠压情况下，使电冰箱供电系统停顿供电，电网电压恢复正常后自动恢复供电；当电冰箱正在工作时，一旦电源中断立即又恢复供电，要使其在5分钟之后才恢复供电。本保护器的设计需要考虑下面几个方面的问题:适宜性由于保护器的种类繁多，加之不同厂家生产的电机也有差异。因此，能型电动机综合保护器应该有较好的适应性，即通过简单方便的设置就可使保护器不同的保护特性的要求。正确性为了充分发挥电机自身的过载能力，同时还要对电机进展有效保护。要求保护器的动作要准确。不准确的动作或造成电机的损坏，或不能充分发挥的过载能力，造成不必要的跳闸断电，影响生产。保障性这一方面要求保护器在无故障时不能产生误动作，而在故障发生不能拒绝动作，特别是在过压、欠压和突然断电时。要在规定的时间内，准确、可靠地完成规定的保护功能，并且，设计的合理性以及制造时的工艺保证是非常重要的。1.2本课题研究的内容本课题研究的主要内容主要包括以下几个方面：正确设计电路图，实现对电冰箱过压保护的设计从目前我国供电情况来看，供电电压还不太稳定。当电网电压240V时，电动机绕组会因电流过载而出现发热导致破坏绝缘层的现象。当电网电压180V时，会因启动转矩缺乏，造成压缩机启动困难，势必迫使电动机的启动电流成倍增长，超过设计的允许的限度，使压缩机受到损害。由电冰箱的压缩机的工作原理可知，在电冰箱的压缩机处于工作状态时，不允许在电源突然中断后的短时间内重新接通电源，而应使电冰箱必须经过5分钟后才能恢复供电，才不会影响电冰箱的正常工作和人们的日常生活。根据画好的工作原理图，设计出相应的仿真PCB图是电路板的映射图纸，它详细描绘了电路板的走线、元件的位置、线路板的尺寸、外表印什么字、底面怎么做铜箔等等，发往PCB厂家加工出来。二电路原理图图2-1电路原理图三原理分析整体工作流程该电路的主要功能是当电网电压240V或180V时，向驱动单元提供驱动信号，使继电器触点动作，电冰箱断电；当电网恢复供电时，为延时电路输入一个负脉冲，以便延时电路工作，使冰箱经5分钟才能通电。图3-1工作设计框图设计原理：电网电压采样样本通过比拟器进展比拟，然后通过比拟器控制555时电路，然后通过555时电路来控制三极管和继电器的工作，从而实现对负载即用电器的控制。整体工作过程为：由变压器把外界的电压变为家庭延迟保护电路工作所需的电压，此时的电压仍然是交流电压，首先经过整流桥进展半波整流，然后一局部信号输入到RV7，另外一局部经过电容C3和C6进展滤波，然后经过78L12进展稳压、经过C5和C4进展再次滤波。第二局部为稳定的电压进入比拟器进展比拟，通过调节RV4和RV6的阻值大小来确定输出，然后经过T2进展放大，在经过D6然后输入到NE555中，假设输入的电压小于180或者大于240时此时继电器的开关断开D5亮，说明此时的电压不正常，通过一定的外接的电路来控制冰箱的开关，在这里用的是通过电容与电阻之间的充放电来实现延迟的，当电压正常后，NE555有一定时间的控制作用通过设计滑线电阻的大小以及R5.C2.C7的大小来控制延迟时间的大小，比方本例中设计的时间为5分钟，当电压正常后D3灯亮，此时说明外界的电压正常，电冰箱可以正常工作，通过一定的外接电路控制使电冰箱工作。3.1直流稳压电源局部方框图图3-2方框图直流稳压电源原理分析直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。四个环节的工作原理如下：电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。整流滤波电路：整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大局部加以滤除，从而得到比拟平滑的直流电压各滤波电容C满足RL-C＝〔3~5〕T/2，或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。常用可调式正压集成稳压器有CW317(LM317)系列，它们的输出电压从1.25V－37伏可调，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过渡、过热和平安工作区保护，最大输出电流为1.5A。3.2延时电路为防止因断电后又立即通电而烧毁电机，因此要用延时电路。该延时电路由555定时器IC、电容C2、C7电阻R1、R2、R5、R6、R7等组成。该电路是一个负脉冲触发的单稳态延时电路，它的工作原理如下：图3-3单稳态触发器工作波形当电网电压从大于240V降至略小于240V时，由于UB<UTH1，门G1的状态翻转，输出为"1”电平，门G1由输出"1”变为输出"0〞(这时有Uc>UTH2)，给555定时器IC的2脚送入一个负脉冲，则3脚变为"1”电平。同时放电管截止，直流电源VDD对电容C7充电，UD(UC7)上升。经5分钟后，UD>2/3VDD，555电路状态翻转，3脚恢复为"0”电平，输出一个负脉冲，送至RS触发器，使SD的平均值为0(这时因G2输出"0”电平，G3输出为"1”电平，即RD的平均值为1，迫使RS触发器翻为"1”状态(Q=1)，门G6及G7输出"0”状态，T1及T2截止，继电器常闭触点闭合，电冰箱恢复工作。这里555定时器3脚"1”电平的保持时间〔放电管TD的截止时间〕仅与电阻R13和电容C7的乘积成正比，而与直流电源电压VDD的大小无关。调整R13,可以延时5分钟。单稳态触发器的工作波型见图5所示。其中假设电网电压从小于180V上升到大于180V时，UC>UTH1(这时UB<UTH1,门G1输出"1”电平)，门G2输出"0”电平，通过G5也为555定时器IC的2脚送入一个负脉冲，接下来的过程与上述过程一样，电冰箱又恢复工作。3.3比拟器窗口比拟器的特点是Vi沿着一个方向变化时，可以使V0产生两次跳变。图3-4窗口比拟器电路图图3-5窗口比拟器的传输特性窗口比拟器的电路图如图3-4所示，电路由两个幅度比拟器和一些二极管与电阻构成，D1和D2是输入保护二极管，D3和D4的作用是防止电流回流损坏运算放大器。将参考电压VH加于放大器A1的反向端，VL加于放大器A2的反向端，且有将输入信号Vi输入到运算放大器的同相输入端，这是运算放大器处于开环工作状态，具有很高的开环增益。由于受到正相电源电压、二极管和电阻的限制，输出电压为+Vom或者0。设R1=R2，二极管的正向导通电压为VD，则有电压传输特性曲线是反映输出电压V0和输入电压Vi之间关系的曲线。窗口比拟器的电压传输特性如图3-5所示。输入信号偏离参考电压时，输出电压将发生跃变。由图可见当Vi>VH时，V01为高电平，D3导通，V02为低电平，D4截止，V0=V01；当Vi<VL时，V02为高电平，D4导通，V01为低电平，D3截止，V0=V02；当VL<Vi<VH时，V01为低电平，D3截止，V02为低电平，D4截止，V02为低电平。将输出电压发生跃变的现象称为比拟器翻转。3.4继电器继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种"自动开关〞。故在电路中起着自动调节、平安保护、转换电路等作用。四元器件的选择与计算4.1直流稳压电源局部元器件的选择稳压器选用78L12，滤波电容C3取100uf，C6为进一步滤波的电容取470uf，经过78L12的稳压作用后再用C4和C5进展再次的滤波取C4的值为220uf，C5的值为100uf。4.2比拟器的元器件的选用两个比拟器都用EL2180电阻R3取10k，滑线变阻器的示值根据所需的电压大小的不同而不同，R4的取值为4.7k4.3定时器IC的选择555定时器选用NE555，其管脚外形图如下列图所示。工作电压VCC=11V。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细定时电路。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。图4-1555时基引脚功能图555定时器IC的工作原理如下：图4-2555定时器内部原理图上图为555时基集成电路的内部方框图，可以看出555时基电路由两个比拟器A1和A2，一个晶体管，三个分压电阻，一个R-S触发器和一个功率输出电路构成。上限比拟器A1的同相输入端6脚称为复位端R，当R端的点位高于A1的反相输入端的点位Va=〔2/3〕VCC时，A1输出为"1〞，使后随R-S触发器复位，输出端3脚Vo为逻辑"0〞，电路处于复位状态。下限比拟器的反相输入端2脚称为置位触发端，当的电位低于A2同相端的电位VB=〔1/3〕VCC时，A2输出为"1〞，电路处于置位状态。R-S触发器处于置位状态时，Vo="1〞，BG管截止，7脚对地断开，允许外部电容充电；当R-S触发器处于复位状态时，Vo="0〞，BG管导通，7脚对地相当于短路，外部电容通过BG管放电。5脚为外部电压控制端，用于施加控制电压。4脚是R-S触发器的优先复位端，只要4脚为"0〞，实际上4脚<0.7V时，无论R和S端处于什么点位,输出端Vo都为"0〞，电路处于强制复位状态。五制作过程5.1绘制原理图新建工程新建一个.sch文件，并把存储路径设为桌面，以便于以后的应用。更改图纸的大小在图纸上右击，翻开文档选项按钮，设置图纸大小为A4图5-1放置元件这个过程比拟纠结，由于家庭延迟保护电路中要使用：变压器，整流桥，差分比拟器，继电器等不常用的器件，因此，有的元件会找不到，我的解决方案是参加元件库，并重新下载了一个protel99se，在经过一下午的努力后终于把所有的元件都找齐了。设置元件参数这个过程就是封装号的查找很难，要自己在百度上一个一个的查，而且有些还是错的，因此，这个过程要靠实践才能知道是否正确，比方比拟器的封装的设置就很难找。图5-2进展连线连线后的原理图为图5-3原理仿真图电器规则检查图5-4生成材料清单点选仿真—材料清单，生成元件类型、封装、名称的清单图5-5元件清单生成网络表格点选菜单栏中的设计—创立网络表，生成网络表，网络表中，一对方括号之间是一个元件的属性，包括序号、封装号、参数值。一对圆括号之间是连接*个节点的所有连接线。应对照原理图进展检查，看有无错误、遗漏。还有好多装不下了。。。5.2生成pcb新建一个.pcb文件，和刚刚建的原理图文件放在一起。载入网络表，导入元件。适宜地调整元件的位置，使布线最简单 。布线后的pcb图见附录六个人体会通过本次protel课程设计的学习，我学会了运用软件去设计电路图并且生成pcb，该保护电路通过对所供电设备电压进展取样检测，电压出现过压、欠压现象时，保护电路内部执行继电器延时，释放开关(保护电路在正常工作时无过压、欠压情况下内部执行继电器呈吸合状态)。从而到达对用电设备的保护。该系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，根本上到达题目要求的各项指标要求。但是也遇到了很多困难，最后经过我们自己的努力和同学的帮助最终克制困难，在规定时间内完成了任务。通过该家庭延迟保护电路的设计，我进一步熟悉了protel99se的应用，通过原理图的设计，绘制，以及pcb的生成，以及最后实现的对电冰箱的延迟保护电路的完成，都让我学到了许多东西，特别是自己在找元件封装的过程，以及在元件的查找。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Protel99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。在设过程中遇到了很多困难，真的很感谢教师，同学们给与的帮助，让我有时机能成功完成这一艰巨的任务。同时也让我深深感受到团结力量的伟大。在今后工作中我将努力发扬坚持不懈，团结一致，积极进取的