电压越限报警器1

摘要：电压越限报警器是有五部分组成，获取降压部分，调整电流部分，滤波部分，判断报警部分，报警部分。其组成采用了：变压器、桥式整流器、滤波器，电压双限比较器，和一个喇叭报警器。变压器、桥式整流器、滤波器这三个主要是为了调整判断报警电路的输入电压，电压双限比较器，和一个喇叭报警器主要是判断我们所测量的电压是否为我们所需的电压，如果电压过低或过高则报警，否则正常运行。

关键词：电压越限；整流滤波；电压比较器；报警

Abstract: voltage limit alarm is composed of five parts, acquiring buck portions, adjust the current section, filtering, judge the alarm part, an alarm part. The composition uses: transformers, bridge rectifier, filter, voltage double limit comparator, and a horn alarm. Transformers, bridge rectifier, filter three is mainly to adjust the judgment of alarm circuit input voltage, voltage double limit comparator, and a horn alarm is mainly judged by our of the measured voltage is our desired voltage, if the voltage is too low or too high alarm, otherwise normal operation.

Keywords: voltage limit; rectifying filtering； voltage comparator; alarm;

前言：生活中，我们所获得的电压往往是22V的稳定电压，但我们不可避免的是如果由于电路短路，负载的增加或减少，电路被雷击或者是因为其他原因使得电网中的电压突然增大或减小，从而烧坏我们家里的洗衣机，电视机，电脑的一些家用电设备，因此，为了避免用电器的输入电压的突然地增加或减少，可以用安装一个电压越限报警器，在电压高于或低于用电设备的输入电压时就会报警，提示用户立刻切断电源或采取一定措施保护我们的用电设备不会被烧坏。

本次课程所设计的电压电压越限报警器的基本功能是能对输入电压的大小用电路中的电压双限比较器与我们所设定的标准电压进行比较，判断出输入电压是否

高于或低于我们所设定的标准电压。比较的结果用输出电压的高和低来表示。如果在我所规定的电压范围内，则电路正常运行，如果电压不在我们的规定范围之类，则报警器启动，并发出报警。

1系统概述

1.1设计要求

     本次课程设计的基本任务

     1、电压双限比较器判断电压是否越限；

     2、变压器将高压变为低压；

     3、桥式整流滤波器将交流电变化为直流电；

     4、当电压越过标准电压时报警器报警；

1.2 系统结构与设计方案

1.2.1 方案说明

本次所设计的电压越限报警器，由变压器获取降压部分，单项桥式整流器调整电流部分，电容滤波部分，电压双限比较器判断报警部分，报警部分。

变压器从外部获取电压，并将电压调整为低压，同时传至桥式整流器的输入端，通过桥式整流器，将交流电流转化为直流稳定的电流，再将电压输入到判断报警电路，判断电压是否越限的电路时由两个运算放大器组成的电压双限比较器，比较输入电压与我们的所设定的标准电压，如果电压高于或低于我们所设定的标准电压，则电压双限比较器则输出一个较低电压，如果输入电压在我们的标准电压范围内，则电压双限比较器就输出一个较高的电压，通过在电压双限比较器的输出加一个数字反相器，将以上的两个输出电压反相，再输入到由一个额定电压较低的喇叭内，如果总电压越限就会报警。

1.2.2方案选择

 1、 滤波电路的选择：

<1>倒L形滤波电路

图1.1

<2>C形滤波电路

\ 

图1.2

2、电压比较电路的选择：

<1>采用发光二极管作为判断报警标志

图1.3

<2>采用双限电压比较器作为电压越限的电路

图1.4

3、电路的选择

由于电感滤波整流管的铁芯的存在，笨重体积大，容易意气电磁干扰。一般只适用于大电流的场合。所以我们选择了C形滤波电路 

  在电压比较电路电路的选择中，由于由发光二极管组成的电压比较电路的抗干扰能力差，只适用于低电压的电路，并且输出波形也不稳定。

  我们将滤波电路和电压比较电路组合可以的到四种电压越限报警电路的内部电路，即四种方案。但综合以上因素，我们选择了电容滤波电路

1.2.3 电路框图

电压越限报警器的电路框图如下图所示，其中包括获取降压部分，调整电流部分，滤波部分，判断报警部分，报警部分。

图1.5 

2.各部分的设计

2.1变压器的设计

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。

图2.1

变压器：有三个基本公式：

1、输入功率 = 输出功率   有

                         P1=P2                               （2-1）

2、原副边每匝电压相等    有

                     U1/n1=U2/n2                             （2-2）

3、原副边安匝平衡        有

                    I1*n1=I2*n2                              （2-3）

* 在本系统中n1:n2的比值为10:1

2.2整流滤波的电路

   2.2.1电路组成

(1)整流电路：利用具有单向导电性能的整流元件，把方向和大小都变化的50Hz交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。

图2.2   

（2）滤波电路

滤波电路：利用储能元件电容器C两端的电压（或通过电感器L的电流）不能突变的性质，把电容C（或电感L）与整流电路的负载RL并联（或串联），就可以将整流电路输出中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电。在小功率整流电路中，经常使用的是电容滤波。

C形滤波电路

图2.4

负载R为接入（开关S断开）时的情况：设电容器两端初始电压为0，接入交流电源后，当为正半周期是，通过向电容器C充电；为负半周期时，经过向电容器C充电，充电的时间常数为：

  （2-5）

式中包括变压器二次绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。由于一般很小，电容器很快就充电到交流电压的最大值，极性如图所示。由于电容器无放电回路，故输出电压（即电容器C两端的电压）保持在，输出为一个恒定的直流电压，如图中wt0部分所示。

图2.5

其中黄色为输入正弦波形，蓝色为整流后波形，红色为电容滤波后波形

（3）由变压器获取降压部分，单项桥式整流器调整电流部分，电容滤波部分合成的电路图为：

图2.6

接入负载（开关S合上）的情况：设变压器二次电压从0开始上升（即正半周开始）时接入负载，由于电容器在负载末未接入前充了电，故刚接入负载时<，二极管受反向电压作用而截止，电容器C经放电，放电的时间常数为

                                            （2-6）

因为一般很大，故电容两端的电压按指数规律慢慢下降。其输出电压,如图所示。与此同时，交流电压按正炫规律上升。当>时，二极管，受正向电压作用而导通，此时经二极管，一方面向负载提供电流，另一方面向电容器C充电[接入负载时的充电时间常数‖≈很小]。

二极管的导电角      ，通过二极管的瞬时电流很大，如图所示。电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖有效值越大。在纯电阻负载时，变压器二次电压的有效值        ，而有电容滤波时 

负载平均电压  升高，纹波（交流成分）减小，且  越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。

为了平滑的负载电压，一般取

                                    （2-7）

式中T为电源交流的周期。

负载直流电压随负载电流增加（  减小）而减小。随的变化关系称为输出特性或外特性。

当  =     ，即空载时C值一定， =   ，有

当C=0，即无电容时  

咋整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间常数满足式（10.1.10）的关系时，电容滤波电路的负载电压  与  的关系约为

总之，电容滤波电路简单，负载直流电压 较高，纹波也较少，他的缺点是输出特性较差，古适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。

2.3 电压双限比较器

2.3.1. 电压双限比较器的电路说明:

由两个LM339组成的，当输入电压小于时则电路输出一个低电压，当输入电压小于并且大于的时候，输出电压为，当输入电压大于时，则输出电压为.

图2.7

2.3.2电压双限比较器的输出图形

由LM339组成的电压双限比较器电路

  其工作原理为电路由两个LM339组成一个窗口比较器。当被比较的信号电压Uin位于门限电压之间时（UR1UR2或Uin图2.8

2.4电压报警电路

   2.4.1由于通过电压双限比较器输出的波形为下图

图2.9

但我们需要的是但电压在和之间的时候不报警，而是在他们之外报警，所以我们需要的到时是在和之外输出的为高电平，如下图

图2.10

所以我们要在电压双限比较器的输出端加一个数字反向器，使得我们能够得到以上输出波形.

2.4.2报警部分的电路

  报警部分由一个发光二极管和一个喇叭组成，但电压不在我们的标准电压范围之类，则发光二级管发光，喇叭也会发出声音来。

图2.11

2.5电路的相关参数计算

2.5.1负载上的直流电压和直流电流的计算

用傅里叶级数对图中的输出电压的波形进行分解后可得

      （2-4）

式中恒定分量即为负载电压的平均值，因此有

                 （2-5）  

直流电流为

                        （2-6）  

由式（2-4）看出，最低次谐波分量的振幅为，角频率为电源频率的两倍，

即。其他的分量角频率为偶次谐波分量。这些谐波分量总称为纹波，它的叠加于直流分量之上。常用纹波系数来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即

                                               （2-7）

式中为谐波电压总的有效值，它表示为

                                  （2-8）

式中为,为二次、四次谐波的有效值。有以上公式可以得出桥式整流电路的纹波系数.由于中存在一定的纹波，故需用滤波电路来滤除纹波电压。

2.5.2整流元件的计算

 1.在桥式整流电路中，二极管是两两导通的，所以流经每哥二极管的平均电流为：

            （2-9）

2.二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压可以从图中看出在正半周时，导通，截止。此时所承受的最大反向电压均为的最大值，即：

                       （2-10）

同理，在的负半周期也承受同样大小的反向电压。

3.一般电网电压波动范围在正负0.1之间。实际上选用的二极管的最大的整流I电流和最高反向电压U应留有大于0.1的余量。

2.6特殊元件介绍

b.LM339的介绍：

LM339集成块内部装有四个的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻较宽；4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。 

　　LM339集成块采用C-14型封装，图1为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活，应用广泛，它们的参数基本一致，可互换使用。

　LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。

图2.12

3整合所有单元部分电路

将获取降压部分，调整电流部分，滤波部分，判断报警部分，报警部分整合在一起就得到一个电路图形。

3.1电压过限比较器的原理图 

图3.1

*其中在变压器的输出电压的后加了一个电压表，在电压比较器的输入端也加了  一个电压表，目的是为了测量各个点的点位。获得整个系统的各个部分数据。

3.2电压越限比较器工作原理

按照如上图所示的总体电路原理，其工作流程

1、当外界电压输入电压越限比较器是，首先通过一个n1:n2=10:1的变压器，给桥式整流，产生一个交流低压的输入电；，

2、桥式整流滤波器从变压器的到一个交流输入电压，并将这个交流输入电压送入到整流器滤波器中，通过桥式整流滤波器，将输入的交流低压变换的到一个稳定的直流恒定电压。并将这个直流恒定电压做为电压双限比较器的输入电压；

3、电压双限比较器从外界得到一个直流稳定的电压，并将这个电压与所设定的标准电压做比较，如果这个电压大于我们所设定的最大标准电压，或小于我们所设定的最小标准电压，则这个电压双限比较器送出一个低电压，否则为高电压；

4、将从电压比较器送出的电压输入到报警电路，由于我们的报警电路需要在电压双限比较器输出的高电压下工作，所以我们的报警电路需要一个电压反向器，我电压比较器所送出的电压反相，并促使报警电路工作；

5、报警电路为一个发光二极管和一个喇叭所组成的报警系统，当我们通过电压反相器所得到高电压送入到工作电路中，则报警。

4、整个系统运行

本次课程设计使用而来protues软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证

4.1变压器系统的运行

我们输入的交流电为100V

图4.1

从表压器输出端的电压表可以看出，我们所得到一个10.6v电压，所以表示我们的表压器正常运行。

4.2、整流滤波电路的仿真

图4.2

从这个整流滤波电路我们可以看出我们通过整流滤波电路低调一个+13V左右的稳定电压

4.3、电压双限比较器电路的仿真

图4.3

4.4报警电路的仿真

图4.4

从仿真图可以看出发光二级管发光了，喇叭也响了，运行成功！

5 本次课程设计的总结

5.1、完成情况

通过和课题设计小组成员的讨论合作，设计目的能够达到，电压越越限报警器能够正常工作，通过设计，我们小组的团队合作精神得到了加强，对学过的数电模电知识进一步得到了巩固，为即将开始的专业课学习打下了基础。

设计中为了要做图和仿真，还学会了protues画图软件的应用。为我们以后的课题设计、毕业设计等打下了牢固的基础，同时我们也学到了新知识。

5.2、心得体会

本次设计让我体味到设计电路、连接电路、调测电路过程中的乐苦与甜。设计是我们将来必需的技能，这次实习恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路的调试再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。在实习的过程中发现了以前学的数字电路的知识掌握的不牢。同时在设计的过程中，遇到了一些以前没有见到过的元件，但是通过查找资料来学习这些元件的功能和使用。制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，对电路的调试要一步一步来，不能急躁，因为是在电脑上调试，比较慢，又要求我们有一个比较正确的调试方法，像把频率调准等等。

6.参考文献

[1] 康华光. 电子技术基础数字部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社.2006

[2] 康华光. 电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社.2006

[3] 陈明义，电子技术课程设计使用教程（第三版）[M].长沙；中南大学出版社.2009

[4] 刘建成.  电子线路试验教程[M] 北京；北京气象出版社 2004 

[5]四电压比较器LM339的8个典型应用例子http://www.dzsc.com/data/html/2007-9-25/43484.html

7.电压越限比较器的总电路图