1、0第 1 章 绪论1.1 课题背景说到家用电器，让我们不难想到电冰箱。但是，从我国目前的供电情况来看，电网设备还不够完善，供电电压不太稳定，电压波动值可能超出电冰箱的允许范围（我国规定供电电压稳定度应该在正负百分之十） ，而且局部断电又时有发生，根据以上种种原因就应运而生了电冰箱的自动保护器。电冰箱易损坏或寿命短是困扰人们的一个问题。究其原因，供电电压波动、瞬时断电是电冰箱损坏或寿命缩短的主要原因之一。而对于绝大多数家用电冰箱来说，瞬时断电与电压波动几乎是不可避免的。为此，我们利用变压器，再配以控制电路设计了一种自动稳压、自动延时的电冰箱保护器，该多功能电冰箱保护器能够根据负载电流判断线路中的
2、各种故障,并及时进行保护，最大限度的降低对人们日常生活的影响，是一种经济实用的电冰箱保护器。1.2 课题的目的和意义电冰箱的驱动电机在一定的电压范围内才能正常工作，供电电压过高或过低很容易导致绕组线圈烧毁；另外，当电冰箱正在工作时突然断电而又立即通电时，电冰箱的压缩机所承受的启动电流要比正常启动电流大好几倍，导致压缩泵内压力很高，使驱动电机负荷过载，也容易烧毁电机。从目前我国供电情况来看，供电电压还不够稳定，而且局不断电时有发生，所以电冰箱保护器具有重要的使用价值。电动机保护器不仅能保证电冰箱的稳定工作，而且在工农业正常生产，提高生产效率和经济效益和在节能事业中也有着重要意义。11.3 设计任
3、务与要求1.3.1 设计任务传统人们在用电时会因技术故障、人为故障、设备老化、质量低劣、自然灾害等引起的电压过高过低、停电再来电而烧毁电器，甚至因此发生火灾的问题，造成了人身的危害和资金的浪费。为了避免上述危险的发生，我们应该给电冰箱配备一个冰箱保护器。该 保 护 器 的 功 能 是 ： 当 电 网 电 压 过 压 或 欠 压 情 况 下 ， 使 家 用 电 器 的 供 电 系 统停 止 供 电 ， 当 电 网 电 压 恢 复 正 常 后 使 家 用 电 器 自 动 恢 复 供 电 ； 当 家 电 正 在 工 作 时 ， 一旦 电 源 断 电 而 又 立 即 供 电 时 ， 本 设 计 要 使
4、 家 用 电 器 必 须 断 电 3 5min 后 才 能 恢 复 供电 。本保护器的设计需要考虑下面几个方面的问题:(1)合适性 由于保护器的种类繁多，加之不同厂家生产的电机也有差别。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。(2)正确性 为了充分发挥电机自身的过载能力，同时还要对电机进行有效保护。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。(3)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
5、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。1.3.2 本课题研究的技术要求1、 当 电 网 电 压 280V 或 180V 时 ， 能 自 动 切 断 电 源 ；2、 当 电 网 电 压 恢 复 正 常 后 3 到 5 分 钟 自 动 接 通 电 源 。第 2 章 方案选择根 据 设 计 任 务 及 要 求 ， 所 设 计 的 电 冰 箱 自 保 护 器 的 基 本 思 想 为 ： 电 网 电 压 在 正 常范 围 时 ， 保 护 器 不 影 响 电 冰 箱 的 正 常 工 作 ， 而 一 旦 电 网 电 压 280V 或 180V 时 ，保 护
6、 器 应 立 即 切 断 用 电 器 电 源 。 正 在 工 作 的 电 冰 箱 一 旦 断 电 又 恢 复 供 电 时 ， 保 护 器 应延 时 3 5min 后 再 给 电 冰 箱 接 通 电 源 。 不论是保护器立即断电还是延时通电，都需要由继电器触电开关去控制驱动电机，显然该保护器还应设有驱动继电器线圈的驱动电2路。本设计的总体结构框图主要部分，包括 LM339 的两个比较器和 RP2、RP3 等组成过电压、欠电压检测电路，其中 L1A 比较器用于过电压检测，L1C 比较器用于欠电压检测；VT1 构成电子开关，其中 LED 为电压指示灯，当电压在市电正常范围内（180V280V） ，该
7、灯发亮，否则会熄灭；NE555 时基电路组成延迟记忆电路，组成框图如图 2-1 所示。图 2-1 系统总体框图第 3 章 单元电路的设计3.1 电源部分接通电源后，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，用电压表可测得约12V直流工作电压，电源图如图3-1所示。图 3-1 电源图3.2 比较器本设计采用内部具有四个比较器的集成块LM339，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。1234D1BRIDGE1Vs1VSINGND2Vout 3Vin1U178L12C31uC10.1u +
8、C24700u +C447uAC1AC2Vin Vout. .33.对比较信号源的内阻限制较宽。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，。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。图 3-2 LM339 的引脚图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，
9、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
10、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。本设计电路由两个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UinUR1）输出为低电位（UO=UOL），窗口电压U=UR2-UR1。它可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间。双限比较器及波形图如图3-3所示：4图 3-3 双限比较器及波形图双限比较器仿真图如图 3-4 所示：R110kU1ALM339M543212R250kKey=A50%R1350kKey=B50%U1CLM339M9831412图 3-4 双限比较器仿真图3.3
11、控制电路（555 定时器）本设计采用 NE555 集成块作为控制电路，NE555 为 8 脚时基集成电路，各脚主要功能如表 3-1 所示。NE555 引脚功能表引脚 引脚功能 引脚 引脚功能1 脚 接地 GND 5 脚 控制电压2 脚 触发 6 脚 门限(阈值)3 脚 输出 7 脚 放电54 脚 复位 8 脚 电源电压 Vcc、表 3-1 NE555集成块引脚图如图3-5所示：图 3-5 NE555 集成块引脚图本设计选用双稳类电路，用NE555构成一个施密特触发器，施密特触发器图如图3-6所示。图 3-6 施密特触发器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
12、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、安全保护、转换电路等作用。第 4 章 设计电路工作原理及参数计算4.1 电路的工作原理本设计电路的工作原理：接通电源后，220V 交流电经变压器的降压、整流桥的整6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0V，555 时基电路的阈值端
13、6 脚为高电平，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，电冰箱电源被切断。然后电源向 C1 充电，使 2、6 两脚电位不断下降，约经过 5min，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 5min 左右才向电冰箱供电，从而确保电冰箱压缩机不受损坏。当市电电压升高到 280V 以上，上比较器输出低电平；市电电压下降到 180V 以下，下比较器输出
14、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 5min 左右才向电冰箱供电。4.2 电路元件参数的选择计算设变压器的变压系数是 20：1，整流后的输出电压 u31.2u2, 当 u1 分别为220V、180V、280V 时，u2、u3、Va 的计算如下：u1=220V u2=22020=11V u3=1.211=13.2V 则,Va=6.6Vu1=280V u2=28020=
15、14V u3=1.214 =16.8V 则,Va=8.4Vu1=180V u2=18020=9V u3=1.29 =10.8V 则,Va=5.4V因此可得，比较器的上限电压为 8.4V,下限电压为 5.4V。调节电位器 RP2 和 RP3，使 LM339 的 5 脚电压为 8.4V，8 脚电压为 5.4V，使电路在 280Vu1180V 范围能正常工作。电网由断电到恢复供电后，电冰箱要延迟一段时间才能正常工作，此延时时间 由 NE555 的外围电路 C1 和 R3 决定： 1.1R3C1电路要求延时 5 分钟（即 300 秒），设 C1=220F,则 R3 的阻值计算如下：R3 = 300 (
16、 1.12200.000001) 1.2 M4.3 电路整机电路图本设计的整机电路图如图 4-1 所示：78图 4-1 设计整机电路图第 5 章 仿真调试过程及结果分析5.1 仿真的预期结果当输入电压由 0 跳到正常电压的范围内,此时,D1(绿色)发光,D2( 绿色,负载)仍不工作,大约经过 5min 的时间才开始工作(发光),D3(红色) 则与 D2 相反; 当输入电压在范围外恢复到正常电压范围内时,工作情况与相同; 当输入电压在正常范围内跳到电压范围外,D1,D2 立即熄灭,D3 发光,说明负载停止工作; 当输入电压在正常范围内突然停电,所有的发光二极管都熄灭. 5.2 电路的仿真在 Pr
17、otel 99SE 软件中对其放真，仿真图如下：图 5-1 Protel 99SE 仿真图91）设置电源电压 U1 为 50V，输出 OUT1、OUT2 值加的电压差几乎为 0V；2）设置电源电压 U1 为 100V，输出 OUT1、OUT2 值加的电压差几乎为 0V；3）设置电源电压 U1 为 170V，输出 OUT1、OUT2 值加的电压差几乎为 0V；4）设置电源电压 U1 为 200V，输出 OUT1、OUT2 值加的电压差约为 10V；5）设置电源电压 U1 为 220V，输出 OUT1、OUT2 值加的电压差约为 10V；6）设置电源电压 U1 为 240V，输出 OUT1、OUT
18、2 值加的电压差约为 10V；7）设置电源电压 U1 为 280V，输出 OUT1、OUT2 值加的电压差几乎为 0V；8）设置电源电压 U1 为 300V，输出 OUT1、OUT2 值加的电压差几乎为 0V；9）设置电源电压 U1 为 350V，输出 OUT1、OUT2 值加的电压差几乎为 0V；从上图的仿真结果中看出该电冰箱保护器性能良好，输入电压U1 取任何值，输出OUT1、 OUT2值加的电压差都浮动不大，在过压、欠压的情况下能很好的保护电冰箱，从而使之在无人监控情况下正常工作。与此同时实现了上电的延迟从而更好的保护了电冰箱。5.3 总结通过这次课程设计，我复习了对 Protel 99
19、SE 软件，但有部分知识不太清楚，于是我又不得不边学边用，时刻巩固所学知识，这也是我作本次课程设计的第一大收获。通过查资料，我们对电冰箱保护器这一器件有了深刻的了解，把理论应用到了实践当中。整个设计我基本上还满意，由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。参考文献 1 .任国燕 模拟电子技术实验指导书重庆科技学院.2008 年 11 月。 2 .康华光 模拟电子技术基础北京高等教育出版社.2006 年 12 月。 3 .陈有卿 实用 555 时基电路 300 例 中国电力出版社. 2005 月。 4 .庄俊华，何伟良 ,张俊红 Multisim 9 入门及应用 机械工业出版社.2008 年
20、 3月。 5 .邓元庆，贾鹏 数字电路与系统设计 西安电子科技大学出版.2008 年 5 月。10附录 电冰箱保护器元器件清单元器件名称 元器件符号 元器件标称值 元器件型号 元件数量变压器 T 12v DB-I-28 1D4、D5 IN4001 2二极管IN40014 IN4001 4三极管 VT1、VT2 9013 NPN 2C2 0.01uF 1C3、C5 0.1uF 2C1、C6 220uF 2电容器C4 47uFBF1R1、 R5、R6 10K 3R2、R4 4.7K 2R3 1.2M 1电阻R7、R8 1KRT2滑动变阻器 RP1、RP2、RP3 50K RT 3LIA、LIC LM339 2N1 NE555 1芯片7812 7812 1发光二极管 LED1、LED2、LED3 3继电器 K1 12v SMI12VDCSLA 1总计 34
