| 欠电压保护电路的设计 | |||
| 日常生活中，我们不可避免的要用到各种各样的电气设备。由于电网电压的波 | |||
| 动，在较高的电压下很有可能使电器设备受到损坏，而在低压时电器设备不能正 | |||
| 常工作。在这种情况下就需要有一个电压报警指示设备，其可以及时准确地对电 | |||
| 网电压进行分段指示并对过、欠压进行指示报警，从而实现保护电器设备的目的。 | |||
| 电网电压可分为三个不同范围，分别为：电压低于190V；电压处于190V到250V | |||
| 之间；电压高于250V这三个状态。当电压低于190V时，用电器处于过欠电压状 | |||
| 态；当电压处于190V到250V之间时，用电器处于正常状态；当电压高于250V | |||
| 时，用电器处于超过压状态。报警指示的表现状态为：在正常状态下，报警器的 | |||
| 正常指示灯亮（设计选用的发光二极管的颜色为绿色）；在欠压状态下，代表异 | |||
| 常的指示灯亮（设计选用的发光二极管的颜色为红色）代表正常状态的指示灯不 | |||
| 亮。为解决欠电压状态下电网电路及设备的保护，提出了该设计任务。 | |||
| 一、总体方案的选择 | |||
| 设计并制作一个欠电压电网电压异常报警器。 | |||
| 1.用放光二极管制作指示器。 | |||
| 2.使用电压比较器实现欠电压时的比较。 | |||
| 3.设交流电网电压的正常波动范围为190V～250V（单相交流有效值），在此范 | |||
| 围内，报警器电路亮绿灯。当电网电压低于190V时，报警电路亮红灯，实现电 | |||
| 路报警。 | |||
| 4.由于本设计为欠电压保护电路，故忽略超电压状态，即只考虑电网电压是否 | |||
| 大于欠电压临界值（190V）。 | |||
| 要实现任务中提出的各个功能，需要分模块设计电路：一、电源模块——对整 | |||
| 个电路提供电源；二、采样及比较模块——通过采样电压与比较电路的基准电压 | |||
| 比较，将所得的输出信号传送给报警电路；三、报警模块——电压正常或异常时， | |||
| 代表不同状况的指示灯亮，进行报警。 | |||
| 1．拟定系统方案框图 | |||
| 采样电路 报警电路 比较电路 降压电路 整流滤波 | |||
| （1）方案一：采用10 TO 1 的变压器直接降压，并用1A／50V的桥式整流电 | |||
| 路进行桥式整流，用RCπ型滤波器进行滤波，最后用蜂鸣报警器实现报警功能。 | |||
| （2）方案二：采用10 TO 1 的变压器直接降压，用半波整流电路整流，用电容 | |||
| 滤波电路滤波，最后利用不同颜色的发光二极管实现报警功能。 | |||
| 2．方案的分析和比较 | |||
| 降压电路：本设计要监测电网电压，故直接采用10 TO 1 的变压器降压，输出 | |||
| 22V的交流电。 | |||
| 整流电路：由于半波整流输出的电压脉冲大，波形不连续，所以不可取。从而选 | |||
| 择简单，输出的电压完整的桥式整流电路进行整流。 | |||
| 滤波电路：电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，并配合后级的电解电 | |||
| 容和瓷片电容使输出的直流电压更加平滑，纹波电压更小，所以采用RCπ型滤 | |||
| 波器进行滤波。 | |||
| 比较电路：由于设计需要，我们只需比较电网电压瞬时值与电网电压欠电压临界 | |||
| 值的大小，所以直接选用单门限电压比较器，将门限电压设为电网电压欠电压临 | |||
| 界值在当前电路下的采样电压的相应值，即可实现电压比较。 | |||
| 报警电路：蜂鸣报警器与发光二极管都能实现报警功能，但是，发光二极管工作 | |||
| 原理简单，易于实现，故选用不同颜色并且极性相反的两个发光二极管来作为报 | |||
| 警电路。 | |||
| 二、单元电路的设计 | |||
| 1.电源模块的设计 | |||
| 电源模块说明： | |||
| 电源模块采用10 TO 1 的变压器降压，1A／50V桥式整流电路进行整流，RCπ型 | |||
| 滤波器进行滤波。当通以220V的交流电压时，经过变压器降压后，电压测量值 | |||
| 为21.978V；通过由4个相同型号的二极管组成的桥式整流电路后，得到14.725V | |||
| 直流电压；再通过RCπ型滤波器和LM7812与LM7806的滤波、稳压功能，最 | |||
| 终得到6.012V的直流电压。此时即可根据电源模块的输出电压算出门限电压， | |||
| V=6.012*190/220=5.19V | |||
| 2.比较模块的设计 | |||
| 由于本设计要求实现欠电压报警、保护的作用，故可以选择简单易于实现的单门 | |||
| 限电压比较器来实现比较功能。单门限电压比较器采用简单的运放OPAMP的反相 | |||
| 输入端接一个直流电源，其值即为电源模块中所确定的门限电压；同相输入端 | |||
| 则端接电源模块的输出电压。从而实现电网电压经变压器、整流电路、滤波电路 | |||
| 后与其基准值相比较的目的。输入从同相端进，当电网电压比基准电压大时，比 | |||
| 较器输出电压V向正向跳变；当电网电压比基准电压小时，比较器输出电压V | |||
| 向负向跳变；跳变的高度由报警电路中的稳压二极管所决定。 | |||
| 比较模块电路图 | |||
| 3.报警模块的设计 | |||
| 报警模块电路图 | |||
| 报警模块说明： | |||
| 报警模块中，共并联了三条支路。第一条支路由两个对接的型号为02BZ2.2的稳 | |||
| 压二极管组成，它使电压比较结束后，比较器的输出电压V能够向正负两个方 | |||
| 向跳变，并且提供了±2.2V的跳变高度，从而使得相应报警指示灯能够亮或者 | |||
| 是灭； 第二条支路由一个150Ω的电阻和一个红色的LED发光二极管组成，其 | |||
| 中150Ω的电阻用于保护发光二极管，当电网电压小于基准电压时，V向负向跳 | |||
| 变，此时LED1截止，LED2导通，LED2发出红光，表示电网欠电压；第三条支路 | |||
| 由一个150Ω电阻和一个绿色的LED发光二极管组成，其中150Ω电阻用于保护 | |||
| 发光二极管，当电网电压大于基准电压时，V向正向跳变，此时LED2截止，LED1 | |||
| 导通，LED1发出绿光，表示电网电压正常。 | |||
三、总电路图 | |||
| 元件清单 | |||
| 名称 | 规格 | 数量 | 备注 |
| 变压器 | 220－22V | 1 | T1 |
| 整流桥 | 1B4B42 | 1 | D1 |
| 电阻 | 150Ω | 2 | R1、R2 |
| 瓷片电容 | 47nF | 2 | C1、C2 |
| 电解电容 | 2.2mF | 2 | C3、C4 |
| 二极管 | O2BZ2.2 | 2 | D2、D3 |
| 集成运放 | LM7812CT | 1 | U2 |
| 集成运放 | LM7806KC | 1 | U3 |
| 电压比较器 | OPAMP-3T-VIRTUAL | 1 | U1 |
| 发光二极管 | LED1 | 1 | |
| 发光二极管 | LED2 | 1 | |
| 四、仿真与调试 |
| 1.仿真 |
| （1）电网电压正常 |
| 由于本设计基于电网电压的波动，但是软件仿真难以实现波动的交流，所以我们 |
| 选择人为的改变电源的电压值，从而模拟电网电压的波动。为了模拟正常状态下 |
| 的电网电压，现将电源电压改为200V，并用万用表测量比较器输入端的电压V， |
| 可以得到如下结果： |
| 明显比较器输入端电压V=5.525V 大于基准电压5.19V，报警电路LED1绿灯亮， |
| 表示此时电压正常。可见，此时仿真得到的结果与假设并改变的电网电压200V |
| 为正常电压相一致。 |
| （2）电网欠电压 |
| 同样，为了模拟电网电压的波动，我们人为改变电源电压值。为了模拟电网欠电 |
| 压，我们将电源电压改为170V，并用万用表测量比较器输入端电压V，可以得 |
| 如下结果： |
| 明显，比较器输入端电压V=4.767V 小于 基准电压5.19V，报警电路LED2红灯 |
| 亮，表示此时电网欠电压。可见，此时的仿真结果与我们假设并改变的电网电压 |
| 170V为欠电压相一致。 |
| 通过以上两次仿真，可以看出，虽然测量电压值与理想值有一点点误差，但是基 |
| 本可以忽略。这个电路满足设计要求，能够在电网欠电压时由正常状态下的亮绿 |
| 灯转变成亮红灯，起到报警保护的作用。 |
| 2.调试 |
| 由于实验室的实验箱上没有电源模块中的LM7812和LM7806，而且也没有报警 |
| 电路中所需要的双向稳压管（即可稳定正负双向电压的二极管）和两种不同颜色 |
| 的发光二极管，所以在实验室中无法实现总电路图中的效果。但是，根据本设计 |
| 最基本的原理，我们简化了电源模块的设计，只是利用桥式整流电路和简单的滤 |
| 波电路，同样能够实现报警，从而证明了设计原理的正确性。 |
| 五、小结 |
| 经过近一周时间的调试，我们小组总算是将电路仿真出来了。首先要感谢常老 |
| 师和刘老师对我的指导，还要感谢我们小组的另外两位同学，没有你们的帮助， |
| 无论如何我是没法完成这次课程设计的。 |
| 在刚着手这个课题时，我可以说是一头雾水，经过讨论，我们的三人小组基本 |
| 确定了设计方向。刚开始，我们设计的电路很非常简单，但是经过仿真运行我们 |
| 发现，由于电路整流、滤波的部分过于简单，导致输出电压误差大，并没有达到 |
| 我们想要的效果。非常幸运，第二天我们就去了实验室，并且搭出了实际电路， |
| 虽然由于实验室没有双向二极管，实验最终还是没能做出来，但是，在搭电路的 |
| 过程中，刘老师为我们解答了许多我们不是很清楚的地方，使得我们后续的设计 |
| 豁然开朗。在那之后的几天，我们查阅了很多资料，并且在一本参考书上找到了 |
| 我们现在所用的电源模块，经过仿真我们发现，这样的电源模块能够很精确的给 |
| 出我们想要的结果。通过这次课程设计，我了解到，自己平时所学的知识都只是 |
| 皮毛，而且几乎没能与实际生活相结合，导致在做设计时碰到一些简单的实际问 |
| 题时不知道怎么办。所以，在今后学习中，我会在认真学习书本上的知识的同时 |
| 更加注重知识与实践的结合，为今后的实际工作做准备。 |
| 总体来看，我基本上完成了课程设计任务书上的要求，完成了课程设计任务。 |
| 这次课程设计增强了我的动手能力，同时也增强了我对专业课程的兴趣，我一定 |
| 会更加努力的学习，为今后走向工作岗位打下坚实的基础。 |
| 最后，再一次感谢常老师、刘老师和我们小组的另两位同学，在你们的帮助下， |
| 我们共同完成了这次课程设计的任务。 |
六、参考文献 |
| （1）华中理工大学电子学教研室编，康华光主编：《电子技术基础》（模拟部分） |
| 高等教育出版社，2010年。 |
| （2）孙余凯 项绮明 等编著：《精选实用电子电路260例》电子工业出版社，2007 |
| 年。 |
| （3）冼凯仪 编著：《电子技术基础实验指导书》 华南理工大学出版社，2001年。 |
| （4）[美] J.马库斯 编著：《电子电路大全》 计量出版社，1985年。 |
| （5）中国计量出版社 组编《新编电子电路大全》 中国计量出版社，2001年。 |
| （6）任为明 编著:《电子技术基础课程设计》 广播电视大学出版社，1996 |
| 年。 |
| （7）黄培根 编著：《Multisim虚拟仿真和业余制版实用技术》 电子工业出版 |
| 社，2008年。 |
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