1、第1章 緒論1.1 課題背景說到家用電器，讓我們不難想到電冰箱。但是，從我國目前的供電情況來看，電網設備還不夠完善，供電電壓不太穩定，電壓波動值可能超出電冰箱的允許范圍（我國規定供電電壓穩定度應該在正負百分之十），而且局部斷電又時有發生，根據以上種種原因就應運而生了電冰箱的自動保護器。電冰箱易損壞或壽命短是困擾人們的一個問題。究其原因，供電電壓波動、瞬時斷電是電冰箱損壞或壽命縮短的主要原因之一。而對于絕大多數家用電冰箱來說，瞬時斷電與電壓波動幾乎是不可避免的。為此，我們利用變壓器，再配以控制電路設計了一種自動穩壓、自動延時的電冰箱保護器，該多功能電冰箱保護器能夠根據負載電流判斷線路中的各種故障

2、,并及時進行保護，最大限度的降低對人們日常生活的影響，是一種經濟實用的電冰箱保護器。1.2 課題的目的和意義電冰箱的驅動電機在一定的電壓范圍內才能正常工作，供電電壓過高或過低很容易導致繞組線圈燒毀；另外，當電冰箱正在工作時突然斷電而又立即通電時，電冰箱的壓縮機所承受的啟動電流要比正常啟動電流大好幾倍，導致壓縮泵內壓力很高，使驅動電機負荷過載，也容易燒毀電機。從目前我國供電情況來看，供電電壓還不夠穩定，而且局不斷電時有發生，所以電冰箱保護器具有重要的使用價值。電動機保護器不僅能保證電冰箱的穩定工作，而且在工農業正常生產，提高生產效率和經濟效益和在節能事業中也有著重要意義。1.3 設計任務與要求

3、1.3.1 設計任務傳統人們在用電時會因技術故障、人為故障、設備老化、質量低劣、自然災害等引起的電壓過高過低、停電再來電而燒毀電器，甚至因此發生火災的問題，造成了人身的危害和資金的浪費。為了避免上述危險的發生，我們應該給電冰箱配備一個冰箱保護器。該保護器的功能是：當電網電壓過壓或欠壓情況下，使家用電器的供電系統停止供電，當電網電壓恢復正常后使家用電器自動恢復供電；當家電正在工作時，一旦電源斷電而又立即供電時，本設計要使家用電器必須斷電35min后才能恢復供電。本保護器的設計需要考慮下面幾個方面的問題:(1)合適性 由于保護器的種類繁多，加之不同廠家生產的電機也有差別。因此，能型電動機綜合保護器

4、應該有較好的適應性，即通過簡單方便的設置就可使保護器不同的保護特性的要求。(2)正確性 為了充分發揮電機自身的過載能力，同時還要對電機進行有效保護。要求保護器的動作要準確。不準確的動作或造成電機的損壞，或不能充分發揮的過載能力，造成不必要的跳閘斷電，影響生產。(3)保障性 這一方面要求保護器在無故障時不能產生誤動作，而在故障發生不能拒絕動作，特別是在過壓、欠壓和突然斷電時。要在規定的時間內，準確、可靠地完成規定的保護功能，并且，設計的合理性以及制造時的工藝保證是非常重要的。 1.3.2 本課題研究的技術要求 1、當電網電壓280V或180V時，能自動切斷電源； 2、當電網電壓恢復正常后3到5分

5、鐘自動接通電源。第2章 方案選擇根據設計任務及要求，所設計的電冰箱自保護器的基本思想為：電網電壓在正常范圍時，保護器不影響電冰箱的正常工作，而一旦電網電壓280V或180V時，保護器應立即切斷用電器電源。正在工作的電冰箱一旦斷電又恢復供電時，保護器應延時35min后再給電冰箱接通電源。不論是保護器立即斷電還是延時通電，都需要由繼電器觸電開關去控制驅動電機，顯然該保護器還應設有驅動繼電器線圈的驅動電路。本設計的總體結構框圖主要部分，包括LM339 的兩個比較器和RP2、RP3 等組成過電壓、欠電壓檢測電路，其中L1A 比較器用于過電壓檢測，L1C 比較器用于欠電壓檢測；VT1 構成電子開關，其中

6、LED 為電壓指示燈，當電壓在市電正常范圍內（180V280V），該燈發亮，否則會熄滅；NE555 時基電路組成延遲記憶電路，組成框圖如圖2-1所示。 圖2-1 系統總體框圖第3章 單元電路的設計3.1電源部分接通電源后，220V 交流電經變壓器的降壓、整流橋的整流、穩壓器7812 的穩壓后，用電壓表可測得約12V直流工作電壓，電源圖如圖3-1所示。圖3-1 電源圖3.2 比較器本設計采用內部具有四個比較器的集成塊LM339，該電壓比較器的特點是：1.失調電壓小，典型值為2mV。2.電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V。3.對比較信號源的內阻限制

7、較寬。4.共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）Vo。5.差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓。6.輸出端電位可靈活方便地選用。LM339集成塊采用C-14型封裝，。由于LM339使用靈活，應用廣泛，所以世界上各大IC生產廠、公司竟相推出自己的四比較器，如IR2339、ANI339、SF339等，它們的參數基本一致，可互換使用。圖3-2 LM339的引腳圖LM339類似于增益不可調的運算放大器，每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可

8、選擇LM339輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態可靠地轉換到另一種狀態，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在

9、一起使用。本設計電路由兩個LM339組成一個窗口比較器。當被比較的信號電壓Uin位于門限電壓之間時（UR1<Uin<UR2），輸出為高電位（UO=UOH）。當Uin不在門限電位范圍之間時，（Uin>UR2 或Uin<UR1）輸出為低電位（UO=UOL），窗口電壓U=UR2-UR1。它可用來判斷輸入信號電位是否位于指定門限電位之間。雙限比較器及波形圖如圖3-3所示：圖3-3 雙限比較器及波形圖 雙限比較器仿真圖如圖3-4所示：圖3-4雙限比較器仿真圖3.3 控制電路（555定時器）本設計采用NE555集成塊作為控制電路，NE555為8腳時基集成電路，各腳主要功能如表3-1

10、所示。 NE555引腳功能表引腳引腳功能引腳引腳功能1腳接地GND5腳控制電壓 2腳觸發6腳門限(閾值)3腳輸出7腳放電4腳復位8腳電源電壓Vcc、 表 3-1 NE555集成塊引腳圖如圖3-5所示：圖3-5 NE555集成塊引腳圖本設計選用雙穩類電路，用NE555構成一個施密特觸發器，施密特觸發器圖如圖3-6所示。圖3-6 施密特觸發器3.4繼電器繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。第4章 設計電路工作原理及參數

11、計算4.1電路的工作原理本設計電路的工作原理：接通電源后，220V 交流電經變壓器的降壓、整流橋的整流、穩壓器7812 的穩壓后，在RP2 和RP3 兩端可獲得約12V直流工作電壓。根據變壓器的變壓系數，調整電位器RP2 和RP3，使市電電壓在正常范圍內，上、下比較器都輸出高電平，此時VT1 導通，電壓指示燈LED 保持發亮。因為C1兩端初始電壓為0V，555 時基電路的閾值端6 腳為高電平，555 時基電路復位，三極管VT2 截止，繼電器K1的常閉觸點保持吸合，電冰箱電源被切斷。然后電源向C1 充電，使2、6 兩腳電位不斷下降，約經過5min，可使電位降至12V電壓的1/3，555 時基電路

12、才置位，3 腳輸出高電平，VT2 導通，繼電器K1通電吸合，其常閉合觸點K-1斷開，電冰箱通電工作。當交流電網意外斷電時，C1 儲存電荷通過R2、D5 迅速泄放，當電網恢復供電時，電路又要延遲5min 左右才向電冰箱供電，從而確保電冰箱壓縮機不受損壞。當市電電壓升高到280V以上，上比較器輸出低電平；市電電壓下降到180V以下，下比較器輸出低電平只要兩者之一輸出低電平，VT1截止，LED 熄滅。此時6 腳為高電平，555 時基電路復復位，輸出端3 腳為低電平，電冰箱電源被切斷，從而使電冰箱在電壓過高或過低的情況下自動停止工作，保證了電冰箱能安全工作于規定的電源范圍內。當電壓恢復正常時，電路要延

13、遲5min左右才向電冰箱供電。4.2 電路元件參數的選擇計算設變壓器的變壓系數是20：1，整流后的輸出電壓u31.2×u2, 當u1分別為220V、180V、280V時，u2、u3、Va 的計算如下：u1=220V u2=220÷20=11V u3=1.2×11=13.2V 則,Va=6.6Vu1=280V u2=280÷20=14V u3=1.2×14 =16.8V 則,Va=8.4Vu1=180V u2=180÷20=9V u3=1.2×9 =10.8V 則,Va=5.4V因此可得，比較器的上限電壓為8.4V,下限電壓為

14、5.4V。調節電位器RP2和RP3，使LM339 的5 腳電壓為8.4V，8腳電壓為5.4V，使電路在280Vu1180V范圍能正常工作。電網由斷電到恢復供電后，電冰箱要延遲一段時間才能正常工作，此延時時間由NE555 的外圍電路C1和 R3 決定： 1.1×R3×C1電路要求延時5 分鐘（即300秒），設C1=220F,則R3 的阻值計算如下：R3 = 300 ÷ ( 1.1×220×0.000001) 1.2 M4.3電路整機電路圖本設計的整機電路圖如圖4-1所示：圖4-1 設計整機電路圖第5章 仿真調試過程及結果分析5.1 仿真的預期結果

15、當輸入電壓由0跳到正常電壓的范圍內,此時,D1(綠色)發光,D2(綠色,負載)仍不工作,大約經過5min的時間才開始工作(發光),D3(紅色)則與D2相反; 當輸入電壓在范圍外恢復到正常電壓范圍內時,工作情況與相同; 當輸入電壓在正常范圍內跳到電壓范圍外,D1,D2立即熄滅,D3發光,說明負載停止工作; 當輸入電壓在正常范圍內突然停電,所有的發光二極管都熄滅. 5.2電路的仿真在Protel 99SE軟件中對其放真，仿真圖如下：圖5-1 Protel 99SE仿真圖1）設置電源電壓U1為50V，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差幾乎為0V；2）設置電源電壓U1為100V，輸出OUT1、OUT2

16、值加的電壓差幾乎為0V；3）設置電源電壓U1為170V，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差幾乎為0V；4）設置電源電壓U1為200V，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差約為10V；5）設置電源電壓U1為220V，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差約為10V；6）設置電源電壓U1為240V，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差約為10V；7）設置電源電壓U1為280V，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差幾乎為0V；8）設置電源電壓U1為300V，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差幾乎為0V；9）設置電源電壓U1為350V，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差幾乎為0V； 從上圖的仿真結果中看出該電冰

17、箱保護器性能良好，輸入電壓U1取任何值，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差都浮動不大，在過壓、欠壓的情況下能很好的保護電冰箱，從而使之在無人監控情況下正常工作。與此同時實現了上電的延遲從而更好的保護了電冰箱。5.3 總結通過這次課程設計，我復習了對Protel 99SE軟件，但有部分知識不太清楚，于是我又不得不邊學邊用，時刻鞏固所學知識，這也是我作本次課程設計的第一大收獲。通過查資料，我們對電冰箱保護器這一器件有了深刻的了解，把理論應用到了實踐當中。整個設計我基本上還滿意，由于水平有限，難免會有錯誤，還望老師批評指正。參考文獻 1 .任國燕 模擬電子技術實驗指導書重慶科技學院.2008年11月。 2 .康華光 模擬電子技術基礎北京高等教育出版社.2006年12月。 3 .陳有卿 實用555 時基電路300 例 中國電力出版社. 2005月。 4 .莊俊華，何偉良,張俊紅 Multisim 9入門及應用 機械工業出版社.2008年3月。 5 .鄧元慶，賈鵬 數字電路與系統設計 西安電子科技大學出版.2008年5月。附錄 電冰箱保護器元器件清單