過欠電壓報警器電路設計

圖1過壓/欠壓掉電報警器原理框圖電源整流濾波比較電路報警器裝置三、電路工作原理及說明3.1整流濾波穩(wěn)壓電路整流濾波穩(wěn)壓電路如圖2所示，其原理是：交流電壓見過單相橋式整流電路整流，再見過電容濾波，接一個穩(wěn)壓管進行穩(wěn)壓輸出。圖2整流濾波穩(wěn)壓電路整流橋的工作原理：設變壓器的副邊電壓u2=1.414U2sinwt，U2為其有效值。當u2為正半周期時，電流由A點流出，經二極管2、負載、二極管4流入B點，負載上的電壓等于變壓器副邊電壓。當u2為負半周期時，電流由B點流出，經二極管1、負載、二極管3流入A點，負載上的電壓等于-u2，二極管2、4承受反向電壓u2。由圖可知整流后電壓為：Ua≈0.9U2。整流電路的輸出電壓雖然是單一方向的，但是含有較大的交流成分，不能適應大多數電子電路及設備的需要。因此，一般在整流后，還需利用濾波電路將脈沖的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?。與用于信號處理的濾波電路相比，直流電源中濾波電路的顯著特點是：均采用無源電源；在理想情況下，濾去所有交流成分，而只保留直流成分；能夠輸出較大電流；而且，因為整流管工作在非線性狀態(tài)（即導通或截止），故而濾波特性的分析方法也不盡相同。濾波后電壓平均值為：Ub≈1.2U2。從而得知Uo=Ub-UR1=1.2U2-UR1。3.2整流濾波穩(wěn)壓輸出由上頁公式可以計算輸出電壓Uo≈1.2U2-UR1。代入數據可得 Uo≈13.2V。實際仿真結果如圖5所示：3.3電壓比較電路電壓比較器是對輸入信號進行鑒幅與比較的電路，是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元電路，在測量和控制中有著相當廣泛的應用，本課題主要應用單限比較器，利用已知電壓與比較器閾值電壓比較確定輸出的高低電平。用運放接反饋構成比例放大器，不接反饋構成單限電壓比較器，電路如圖3所示。圖3電壓比較器電路3.4電壓比較器參數 第一級運算放大器U1接了反饋R4，由電路圖可知這是雙端輸入的比例運算電路，也可以實現(xiàn)差分放大，輸出電壓Uo1為Uo1=R4/R7﹙V4-Ui﹚ （1） 第二級電路的閥值電壓為UT=R5/(R5+R6)V2（2）3.5驅動報警裝置電路用三極管和555芯片構成報警驅動電路，其電路圖如圖4所示。圖4報警電路 說明：用555定時器接成的多諧振蕩器主要是配合晶體管驅動發(fā)光燈提示，從而報警。上圖為三級管驅動報警裝置電路。從上級的輸出即Ui經過三極管Q1和可調電阻R12驅動X2的亮滅。電容用1uF，電阻可以用1k歐姆的可調電阻。由于輸出電壓較低，使用時不別擔心安全問題，但是考慮材料的問題，注意別讓導線短路燒壞芯片。理論知，三極管基極與發(fā)射極之間的電壓只要大于0.7V就會導通，報警器（圖中用電燈泡X2代替）。當小于0.7V時，三極管不工作，電路不導通。四.電路性能指標的測試通過理論推理，分析比較，進行逐步仿真，對局部電路的參數進行調整，對各性能指標進行如下測試。4.1整流濾波穩(wěn)壓電路的測試整流濾波穩(wěn)壓電路主要運用橋式整流器D1加電容C1和穩(wěn)壓管D3及電阻組成。通過改變變壓器的變壓比例，可以實現(xiàn)課題所要求的過壓、欠壓或掉電的。電路連接后仿真結果圖4所示：圖5整流濾波穩(wěn)壓輸出4.2電壓比較器電路測試 由圖3可知第二個運放沒有接反饋，工作在開環(huán)狀態(tài)，故組成電壓比較器。公式（1）、（2）知電壓Uo1和UT進行比較。 當Uo1<UT時,Uo2為低電平，當Uo1>UT時,Uo2為高電平。電路只有一個閾值電壓，故為單限比較器。Uo2的高、低電平決定于集成運放輸出電壓的最小值和最大值。在最大值、最小值之間即正常情況下兩個報警裝置不報警。當超過此范圍，其中之一報警器工作，提示是過壓還是欠壓或者掉電。 如果按照圖示過壓計算，即輸入輸入交流250V、直流5.5V，此時由（1）式Uo1=R4/R7﹙V4-Ui﹚=100/50×(8-5.5)=5(V)由（2）式UT=R5/(R5+R6)V2=5/(5+10)×12=4(V)由以上理論計算可知Uo1>UT，所以輸出高電平，使晶體管導通，驅動報警器工作。下圖是電壓比較器電路的輸入輸出仿真電壓波形。圖6555輸出波形從輸出波形看，輸入有微小變化主要來自電壓的整流和濾波，但是經過比例放大器后誤差可以忽略不計，輸出高電平，比較穩(wěn)定。基本滿足仿真要求。4.3驅動電路測試報警電路已給出（如圖4所示），主要用到兩只三極管，一只12V10W，一只5V1W電燈泡和555芯片，2個12V電源，2個電容，3個電阻和1只滑動變阻器。計算報警器的報警周期T=(R9+2R13)C2ln2代入數據得T=（10+20）×0.1×0.001×ln2=0.002（s）=2（us）從而得到頻率為f=1/T=500（Hz）晶體管的基極電流為IB=(Ui-UBE)/R10=(2.2-0.7)/50=0.03(A)由以上理論計算，可知三極管能導通，從而使報警器報警（即圖中的電燈泡發(fā)光）。 萬用表測試各元件結果如下表：表1測試數據表Ube（V）電容（uF）電壓（V）電阻（kΩ）電流（A）2.130.12.210.041-11.110.13100.042整體連接通過連接、調試，運行過壓時的仿真電路圖如下：圖7仿真結果從圖可以觀察到燈泡發(fā)光，此現(xiàn)象與理論推理（過壓時報警裝置啟動）相同，唯一有疑問的是電燈泡沒有全發(fā)光，從理論上講應該全發(fā)光，但是，由于電源需要提供運算放大器的工作電壓，對電路工作有微小影響。總體上電路可以運行，單列元器件選擇沒有問題，基本達到課題所研究的目的。五、結論整流濾波穩(wěn)壓電路、電壓比較器電路與報警裝置連接起來，得到一個過壓、欠壓掉電的報警器電路，從實際仿真結果看，此電路基本滿足性能指標，符合要求，當外接交流250V、直流5.5V電壓時，調節(jié)滑動變阻器，可以觀察到指示燈的亮滅，只要滑動變阻器的滑動端在正常工作的范圍內，電路便可以工作。致謝本次課程設計，遇到不少麻煩，特別是在進行模擬仿真時候出現(xiàn)許許多多的問題，很多還是自己不能解決的問題，還好，在老師和同學的指導下完成了。在次感謝潘湘高老師及田蘭、陳睿同學的幫助。參考文獻1．康華光主編.數字電子技術基礎.[M]北京：高等教育出版社，2002年2．譚博學主編.集成電路原理與應用.[M]北京：電子工業(yè)出版社，2003年 8周志敏、紀愛華主編.電工電子實用電路，[M]北京：電子工業(yè)出版社，2005年9．康華光主編.模擬電子技術基礎.[M]北京：高等教育出版社，2002年10．王敏、王芳、蔡玲主編.實用電工電路圖集.[M]北京：中國電力出版社，2008年 附錄1元器件清單序號編號名稱大小數量001U1、U3運放2002V2、V3、V7直流電源+12V3003V1、V4直流電源-12V2004V6交流電源220V1005T1變壓器1006R1電阻10kΩ1007R7電阻50kΩ2008R4電阻100kΩ2009R8滑動變阻器2kΩ1010R