過電壓保護電路

新疆大學課程設計報告所屬院系： 科學技術學院專業(yè)： 電氣工程及其自動化課程名稱： 電子技術基礎上設計題目： 過電壓保護電路設計班級： 電氣14-1學生姓名： 龐浩學生學號： 20142450007指導老師： 常翠寧完成日期： 2016.6.30課程設計題目：課程設計是將理論知識應用到實踐中的過程，是理論和實踐的結合。此外，電子技術綜合課程設計是將我們所學的《模擬電子技術基礎》和《電路》的綜合應用，欲通過此次課程設計將我們所學的理論知識運用到生活實踐之中去，一致更好的學習理論知識。我們此次的設計任務是“電網電壓異常報警器過電壓保護電路設計”，主要是針對我們學習模擬電子技術與之前所學的物理、電路基礎綜合起來，進行綜合，以設計培養(yǎng)我們獨立分析、思考與解決實際問題的能力。以及如何學以致用，將所學的課程運用到實踐生活中。通過此次的課程設計，我們應該達到以下的基本要求：能夠在理論知識的基礎上進一步熟悉常用電子器件得的類型和特性，合理地進行選擇和運用。能夠獨立地對課題進行分析，運用所學的理論知識，通過翻閱資料，設計出最優(yōu)方案。學會電子電路的安裝與調試技能，培養(yǎng)我們分析與解決問題的能力。指導教師評語：評定成績?yōu)椋褐笇Ы處熀灻?2016年6月30日電網電壓異常報警器過電壓保護電路設計(OverVoltageProtection)一、總體方案的選擇經過小組成員的分析與討論，得出過電壓保護電路設計的框圖如下:1.雙向二極管限幅電路運用二極管的單向導通性，可以對輸入電壓進行限幅。電路圖如1-1所示，限幅后的波形圖如圖1-2所示。圖1-1二極管雙向限幅仿真電路圖

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圖2經典過電壓保護電路經典過電壓保護電路雖然有許多優(yōu)點，但是由于Multisim12.0中無法找到元件MAX6495,無法進行仿真，所以不選用該方案。3.智能家電過電壓保護電路電路原理：該裝置工作原理見圖，電容器C1將220V交流市電降壓限流后，由二極管匕1、匕2整流，電容器￡擔任濾波，得到12V左右的直流電壓。當電網電壓正常時，穩(wěn)壓二極管VDW不能被擊穿導通，此時三極管VT處于截止狀態(tài)，雙向可控硅VS受到電壓觸發(fā)面導通，插在插座XS中的家電通電工作。（圖3）CZ220VACClVD1IN40O7由I[節(jié)i0.47uF220VACClVD1IN40O7由I[節(jié)i0.47uFR51KKP°C2JiUK*IN4S7]][t血目25尋「 [VD2*VDW2CW12圖3智能家電過壓保護電路如果電網電壓突然升高，超過250V，此時在RP中點的電壓就導致VDW擊穿導通，VDW導通后，又使得三極管VT導通，VT導通后，其集電極一發(fā)射極的壓降很小，不足以觸發(fā)VS，又導致VS截止，因此插座XS中的家電斷電停止工作，因而起到了保護的目的。一旦電網電壓下降，VT又截止，VT的集電極電位升高，又觸發(fā)VS導通，家電得電繼續(xù)工作。R電阻5.1K1，RP電位器15K選用多圈精密電位器1，C1金屬化紙介電容0.47uF耐壓N400V1，C2電解電容100UF/25V1，巳、匕2整流二極管IN40072，VDW穩(wěn)壓二極管12V的2CW121，VT晶體三極管3DA87C、3DG12等1，VS雙向可控硅6—10A耐壓N600V1，CZ電源插座10A250V1該裝置的調試十分簡單，當電網電壓為220V時，調整RP，使VDW不擊穿，當電壓升高至250V，VT飽和導通即可，調試時用一調壓變壓器來模擬市電的變化更方便。優(yōu)點：能夠保護家用電器避免高電壓的沖擊帶來的傷害，、缺點：需要購買二極管，NPN型BJT以及雙向可控硅VS，不太經濟。

而且由于該方案采用的很多元件很難找到，各種仿真元件不能對該電路不能進行模擬，故放棄該方案。4.VGA過電壓保護電路這是最基本的保護電路，從VGA接口1，2,3出來的信號經過一個視頻選擇芯片后被送到模數轉換芯片，也就是AD9883。如果這三個端口的電平較高，可能會把AD9883燒壞，為了避免此現象，故此加入如圖所示的保護電路。（1）電平較高時（過電壓正極性脈沖），它將會通過二極管2和C502被接到地端，構成回路，而不會通過AD9883，故對AD9883起到保護作用。（2）電平較低時（過電壓負極性脈沖），它將會通過二極管1被接到地端，同樣構成回路，也不會通過AD9883，同樣對AD9883起到保護作用。也就是說，這一個保護回路，過高和過低的情況都被導入地端，這樣，它的電平值就被牽制為一個固定值。（圖4）:C5D20.1^FAGMDD50D

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BAV&3D5D2CN50tL5O0而且由于該方案采用的很多元件很難找到，各種仿真元件不能對該電路不能進行模擬，故放棄該方案。4.VGA過電壓保護電路這是最基本的保護電路，從VGA接口1，2,3出來的信號經過一個視頻選擇芯片后被送到模數轉換芯片，也就是AD9883。如果這三個端口的電平較高，可能會把AD9883燒壞，為了避免此現象，故此加入如圖所示的保護電路。（1）電平較高時（過電壓正極性脈沖），它將會通過二極管2和C502被接到地端，構成回路，而不會通過AD9883，故對AD9883起到保護作用。（2）電平較低時（過電壓負極性脈沖），它將會通過二極管1被接到地端，同樣構成回路，也不會通過AD9883，同樣對AD9883起到保護作用。也就是說，這一個保護回路，過高和過低的情況都被導入地端，這樣，它的電平值就被牽制為一個固定值。（圖4）:C5D20.1^FAGMDD50D

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就。OHMR50C-L5D5S3OHMVGAR?VGAGB?VGAIB?ISP圖4VGA過電壓保護電路DB15優(yōu)點：便于集成缺點：需要特殊元件才能實現，競技性差，技術要求高，不容易實現。再綜合仿真的限制，該方案同樣放棄。5.電磁繼電器式過電壓保護電路通過對上述方案的討論，結合它們的優(yōu)缺點，我們參考上述方案自行設計出該過電壓保護電路。并且通過論證比較，我們最終采用了自己設計的方案。該方案的系統(tǒng)方案框圖如圖5-1所示。原理：輸入220V交流電經過整流電路進行整流，將交流電變換成脈動直流電。再送入濾波電路進行濾波，濾除脈動成分，得到比較平滑的直流電壓。考慮到電網電壓的波動和負載、溫度的變化將使這個電壓發(fā)生變化，因此在濾波電路后接入穩(wěn)壓電路，使輸出得到穩(wěn)定的電壓。而取樣電路的所取的電壓則是沒有經過穩(wěn)壓的電壓，能夠隨時將取得的電壓情況反饋到觸發(fā)電路，從而達到過電壓自動保護的目的。圖5-1電磁繼電器式過電壓保護電路二、單元電路的設計1.變壓電路通過變壓器將較高的一次側電壓（220V），以便后續(xù)的整流、濾波電路進行處理。圖5-2變壓電路V2=土x220V=11V （公式1）2.單相橋式整流電路（1）簡介橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管連接成“橋”式結構，便具有全波整流電路的優(yōu)點，而同時在一定程度上克服了它的缺點。基本原理就是利用二極管的單向導電性，將交流電變成一個方向流動的電流。讓交流電流的正半周到來時順利通過二極管（正向導通），當交流電流的負半周到來時（方向與正半周相反）二極管反向截止，則不能通過，如此循環(huán)，就形成一個方向的電流，如圖5-3所示:圖5-3單相橋式整流電路（2） 工作原理整流電路在工作時，電路中的四只二極管都是作為開關運用，根據圖2-1的電路圖可知：當正半周時，對D1、D3加正向電壓，二極管D1、D3導通（D2、D4截止），在負載電阻上得到正弦波的正半周；當負半周時，二極對D2、D4加反向電壓，管D2、D4導通（D1、D3截止），在負載電阻上得到正弦波的負半周。但是無論在正半周期還是負半周期，流過RL中的電流方向都是一致的在整個周期內，四只二極管輪流導通或截止，在負載上得到了單一方向的脈動直流電壓和電流。（3） 主要性能指標整流電路的性能指標常用兩個技術指標來衡量：一個是反映轉換關系的，用整流輸出電壓的平均值來表示；另一個是，輸出的平均電流。整流輸出電壓的平均值U0=0.9U2=9.9V （公式2）輸出平均電流10=0.9U2-%=9.9mA （公式3）在單相橋式整流電路中，由于四只二極管兩兩輪流導通，即每只二極管都只是在半個周期內導通，所以流過每個二極管的平均電流是輸出電流平均值的一半，即：）=七=4.45mA （公式3）二極管的最大反向峰值電壓：URM>42u2=14V （公式4）根據二極管的選用條件，采用IN4007。而Multisim12元件庫中提供了電橋，我們直接使用電橋既可。3.濾波電路（1） 簡介濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯電容器C，或與負載串聯電感器L，以及由電容、電感組成的各種復式濾波電路。交流電經過二極管整流之后，方向單一了，但是大小（電流強度）還是處在不斷變化之中。這種脈動直流一般是不能直接用來給集成電路供電的。要把脈動直流變成波形平滑的直流，還需要再做一番“填平取齊”的工作，這便是濾波。換句話說，濾波的任務，就是把整流器輸出電壓中的波動成分盡可能地減小，改造成接近恒穩(wěn)的直流電經過整流后的電源電壓雖然沒有交流變化成分，但其脈動較大，需要經過濾波電路消除其脈動成分，使其更接近于直流。濾波一般采用無源元件電容或電感，利用其對電壓，電流的儲能特性達到濾波的目的。由于電抗元件在電路中有儲能作用，并聯的電容器C在電源供給的電壓升高時，能把部分能量儲存起來，而當電源電壓降低時，就把能量釋放出來，使負載電壓比較平滑，即電容C具有平波的作用；與負載串聯的電感L2當電源供給的電流增加（由電源電壓增加引起）時，它把能量儲存起來，而當電流減小時，又把能量釋放出來，使負載電流比較平滑，即電感L也有平波作用。濾波電路形式很多，為了掌握它的分析規(guī)律，把它分為電容輸入式（電容器C接在最前面）和電感輸入式（電感器L接在最前面）。前一種濾波電路多用于小功率電源中，而后一種濾波電路多用于較大功率電源中（而且當電流很大時，僅用一電感器與負載串聯）。（2） 工作原理設電容C上初始電壓為零。接通電源時U2由零逐漸增大，二極管D1，D3，正偏導通，此時U2經二極管D1，D3向負載RL提供電流同時向電容C充電，因充電時間常數很小，電容C上電壓很快達到U2的峰值，即Uo=sqrt（2）U2達到最大值以后，按正弦規(guī)律下降，當U1<UC時，D1，D3的正極點位低于負極電位，所以D1，D3截止，電容只能通過負載RLC放電，放電時間t放二RLC，放電時間常數越大，放電就越慢，U0的波形就就越平滑。在U2的負半周，二極管D2，D4正偏導通，U2通過D2，D4向電容C充電，使電容C上電壓很快達到U2的峰值，過了該時刻以后，D2,D4因正極電位低于負極電位而截至，電容又通過負載RL放電，如此周而復始，就可以再負載上得到的是脈動成分大大減小的直流電壓。圖5-4單相橋式整流濾波電路（3）主要性能指標當濾波電容較大時，一般按照經驗公式來估算輸出直流電壓U0U0牝1.2U2=14V （公式5）負載電流I010澆1.2U2+%=9.9mA （公式6）在單相橋式整流濾波時，輸出直流電壓U0RU2。需要注意的是，在上述輸出電壓的估算中都沒有考慮二極管的導通壓降和變壓器副邊繞組的直流電阻，在設計直流電源時，當輸出電壓較低時（10V以下）時，應該把上述因素考慮進去，否則實際測量結果與理論設計差別較大，實踐經驗表明，在輸出電壓較低時，按照上述的公式的計算結果在減去2V（二極管的壓降和變壓器繞組的直流壓降之和）可以得到與實際測量相符的結果。電容濾波具有幾個特點：輸出電壓提高，脈動成分減小，二極管導通時間大大減少。由于二極管在短暫的導電時間內要流過一個很大沖擊電流，才能滿足負載電流的需要，所以在選用二極管時，二極管的工作電流應遠小于二極管的最大整流電流，，這樣才能保證二極管的安全。二極管承受的反向電壓p2u，應小于二極管的最高反向工作電壓Urm。R=1kQ。（4）濾波電容器的選擇在負載一定的條件下，電容C越大，濾波效果越好，電容量的值經過實驗可按下公式選擇：CN虹（Tt RL為交流電壓周期）（公式7）電容 器 的 額 定耐 壓值：濾波電容器型號的選定應查閱有關器件手冊，并取電容的系列標稱值。 我們選用C=100uF。電容濾波電路結構簡單，使用方便，但是當負載電流較大時會造成輸出電壓下降，紋波增加，所以電容濾波適合在負載電流較小和和輸出電壓較高的情況下使用，如各種家用電器的電源電路上，電容濾波是被廣泛應用的濾波電路之一。此外，該方案還用到了二倍壓整流電路，由于篇幅限制，此處不再贅述。4.觸發(fā)器如圖5-5所示觸發(fā)電路，當D點電勢匕-VkN11V時，\=4.5V，即二極管D1導通，且報警電路被觸發(fā)。5.繼電器繼電器如圖5-6所示，它能反映一定輸入變量（如電流、電壓、功率、阻抗、頻率、溫度、壓力、速度、光等）的感測機構（輸入部分）；又能對被控電路實現“通”、“斷”控制的執(zhí)行機構（輸出部分）；在繼電器的輸入部分和輸出部分之間，還有對輸入量進行耦合隔離，功能處理和對輸出部分進行驅動的中間機構（驅動部分）。感測機構把感測到的參量傳遞給中間機構，并和整定值相比較，當滿足預定要求時，執(zhí)行機構便動作，從而接通或斷開電路。本設計采用的是EMR011B03，它的優(yōu)點是超小型、重量輕、線圈損耗功率低。

街秩1r引線I街秩1r引線II引線1引線鐵芯圖5-6繼電器結構圖作為控制元件，概括起來，繼電器有如下幾種作用：（1） 擴大控制范圍。例如，多觸點繼電器控制信號達到某一定值時，可以按觸點組的不同形式，同時換接、開斷、接通多路電路。（2） 放大。例如，靈敏型繼電器、中間繼電器等，用一個很微小的控制量，可以控制很大功率的電路。（4） 綜合信號。例如，當多個控制信號按規(guī)定的形式輸入多繞組繼電器時，經過比較綜合，達到預定的控制效果。（5） 自動、遙控、監(jiān)測。例如，自動裝置上的繼電器與其他電器一起，可以組成程序控制線路，從而實現自動化運行。本設計繼電器主要用作動作元件，用來控制整機電路的通斷。三、整機電路圖通過對上述單元電路的綜合，我們得到整機電路圖:if、 網cjg眼流電阻 綠——HEMRO11B03EMR011 ■■■■■■■-■if、 網cjg眼流電阻 綠——HEMRO11B03EMR011 ■■■■■■■-■D：1：""MZ"""10?0kQ：I;—1LED2;4?1CW|1F4--4-■43^3圖5-7整機電路圖所需元件如下表所示：表1元器件明細表名稱規(guī)格數量單相交流電源220V50Hz1變壓器20：11二極管1電橋1B4B421電解式電容100uF1電阻1k。1電阻10k。1電阻2k。1直流電源11V1常閉式電磁繼電器EMR011B031發(fā)光二極管紅1發(fā)光二極管綠1四、仿真與電路調試1.當輸入電壓U<250V時，變壓器二次側電壓U<—U=11V,U澆1.2U<13.2V,i 2 20i D2。當UD<13.2V時,二極管不導通，電磁繼電器所在回路開路，負載所在回路保持接通。此時，紅燈熄滅，綠色發(fā)光二極管發(fā)出綠光，提示電路工作正常。如圖5-8所示。由圖我們可以看到UD在Ui=220V時已經達到13.59V，說明U=250V時，UD>13.2V,與上面由參數推算出的數據稍有偏差。

-z R1 -—'一兩 -z R1 -—'一兩 VA — ———LED1:礦"2IMM1限流電甌:::::::R41OkQ 11EMR42：：：：" ]?一10叩F一…一一一 一 J一—一一] ：-：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：_!_：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：圖5-8過電壓保護電路正常工作2.當輸入電壓U>250V時，變壓器二次側電壓U2=1/20UiU2=20U>11V,Ud-1.2U2>13.2V，但是由電壓表實際測量出的結果，此時UD>15.5V，說明了理論值與實際參數的偏差。當UD>15.5V時，二極管導通，且電磁繼電器工作，使負載所在回路斷開。與此同時，紅燈亮起發(fā)出警報，綠燈熄滅，提示電路出現過電壓。如圖5-9所示。 ?沖 R1 I"""""""""""""""""： A '3\ ":::LED1: 限流電阻"250Vrms20:1:1 ，250Vrms20:1:1 ，圖5-9過電壓保護電路保護負載并報警3.當電路出現了過電壓，且電壓恢復到正常范圍內之后。此時電磁繼電器端電壓小于觸發(fā)電壓，電磁繼電器停止工作，負載所在回路恢復接通狀態(tài)，負載正常工作。同時，綠燈亮起，紅燈熄滅，表示電路恢復了正常工作狀態(tài)。如圖5-10所示。

T2R1 — 3aD210.0kQ 倒哉.LED2-T2R1 — 3aD210.0kQ 倒哉.LED2-■■■-VI230Vrms1加葉4?圖5-10電壓恢復正常后恢復給負載供電并解除警報五、小結我們的設計主要是對市電過壓自動保護器的功能闡述和原理分析以及組成部分電路的分析。在當今社會，電子技術的發(fā)展日新月異，現代電子設備性能和結構發(fā)生的巨大變化目不暇接。我們已經進入了高速發(fā)展的信息時代。電子技術的廣泛應用，給工農業(yè)生產、國防事業(yè)、科