过欠电压提示保护电路课程设计报告书

大学课程设计报告

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目录

1.概述 (3)

1.1 过欠压电路课程设计背景 (3)

1.2 过欠压电路课程设计目的 (3)

1.3 设计任务与要求 (3)

2.设计容 (4)

2.1 分模块电路设计思路 (4)

2.2 电源模块的设计 (4)

2.3 比较模块的设计 (5)

2.4 报警模块的设计 (6)

3.总电路图 (8)

3.1 图像 (8)

3.2 元件清单 (8)

3.3 部分重要原件介绍 (8)

4.仿真与调试 (11)

4.1仿真 (11)

4.2调试 (12)

4.3结论 (14)

5.心得体会 (14)

6.参考文献 (15)

1.概述

1.1 过欠压电路课程设计背景

生活中，我们不可避免的要用到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气设备受到损坏，而在低压时电气设备不能正常工作。那么，在这样的情况下就需要有一个电压报警指示设备，它可以及时准确地对电网电压进行分段指示并且对过、欠压进行指示报警，从而实现保护电器设备的目的。

1.2 过欠压电路课程设计目的

1.设计一过/欠电压保护提示电路。

2.对给定的电路原理框图进行原理图设计，分单元进行设计。对电路参数进行必要的计算，选择元器件参数。

3.画出完整的电路原理图。

4.对设计的电路进行仿真验证。要求打印出仿真结果。

1.3 设计任务与要求

1.设计一个过欠电压保护电路，当电网交流电压大于250V或小于180V时，经3～4s本装置将切断用电设备的交流供电，并用LED发光警示。

2.在电网交流电压恢复正常后，经本装置延时3～5分钟后恢复用电

设备的交流供电。

3.每一位学生对设计容都应根据自己所学知识、水平及能力独立完成，不得有雷同。

4.写出完整的设计报告。

2.设计容

2.1 分模块电路设计思路

a.电源模块的设计；

b.比较模块的设计；

c.报警延时模块的设计；

2.2 电源模块的设计

电源设计图：

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，RC π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型滤波器的滤波、稳压功能，并通过电阻分压,采集到电压比较器变化端,最终得到9.692V的直流电压。

2.3 比较模块的设计

过压比较器同相输入端与欠压比较器反相输入端端接电源部分采集到的电压，过压比较器的反相输入端与欠压比较器的同相输入端则可以端接两种电路，这个部分经过查阅资料与讨论，制定出两套方案：

方案一：可以通过电源部分分别将250v与180v所对应的电压测试出来，分别为11.158v与7.89v。然后分别在过压与欠压比较器的相应输入端接入相同电压值的直流电源。

方案二：从电源部分的输入端接并联个单相桥式整流电容滤波电路，对其输出电压进行稳压，使其电压值高于或等于250v所对应的电压，这个电压值为基准电压，经过测试后为11.77v，在过压与欠压比较器的相应输入端接入一个滑动比较器，起调节基准电压的作用，然后将基准电压与滑动变阻器连接，这时便可以通过滑动变阻器将基准电压调节为两个比较器的标准电压。

通过分析比较，第二种方案较第一种方案更加节省成本，不需要更换直流电源，并且，还可以对标准电压进行调节，使其适用于不同的要求。因此我组决定采用第二种方案。如图所示：

所以整个比较电路设计：

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，过压比较器同相输入端与欠压比较器反相输入端端接电源部分采集到的输出电压；另外两个输入端采取上述方法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，向正向跳变；当电网电压比基准电压小时，比较器输出电压比较器输出电压V

o

向负向跳变。如图所示：

V

o

2.4报警延时模块的设计：

过压与欠压的报警装置基本相同，过压状态由一个150Ω的电阻和LED1发光二极管组成，当电压经比较器比较后，若确定为过压，则二极管LED1发光（红光）；欠压状态由一个1kΩ的电阻和LED2发光二级管组成，比较后，若确定为

欠压，则二极管LED2发光（绿光）。

此电路的延时装置为一个简单的RC充放电构成，当电路处于过/欠压状态时，给电容进行充电，充电时间则为延迟时间，此时间可通过改变电容的参数进行改变。计算公式为：Ｔ=1.2×2ｎＲ×Ｃ

总的来说，过压状态时LED1发红光，电磁继电器吸合开关，用电设备工作电路切断。欠压状态时LED2发绿光，电磁继电器吸合开关，用电设备工作电路切断。如图所示：

3. 总电路图

3.1图像

3.2元件清单

名称规格数量

变压器220－22V 1

整流桥 1B4B42 1

集成运放LM7812CT 1 电压比较器OPAMP-3T-VIRTUAL 1 发光二极管LED1 1 发光二极管LED2 1 电阻、电容若干见图导线若干见图

灯泡220v 2w 1

3.3重要部件介绍

（1）变压器

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。按用途可以分为：配电变压器、电力变压器、全密封变压器、组合式变压器、干式变压器、油浸式变压器、单相变压器、电炉变压器、整流变压器等。

（2）单相桥式整流电路

整流电路在工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用，根据电路图可知：当正半周时，二极管D1、D3导通（D2、D4截止），在负载电阻上得到正弦波的正半周；当负半周时，二极管D2、D4导通（D1、D3截止），在负载电阻上得到正弦波的负半周。

（3）LM7812

LM7812是指三段稳压集成电路IC芯片元器件，适用于各种电源稳压电路，输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。

(4）双限比较器

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（U

R1

R2

），输出为高电位（U

O

=U

OH

）。当Uin不在门限电位围之

间时，（Uin>U

R2或Uin

R1

）输出为低电位（U

O

=U

OL

），窗口电压ΔU=U

R2

-U

R1

。它

可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间。

LM339

LM339集成块部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：（1）失调电压小，典型值为2mV；（2）电源电压围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；（3）对比较信号源的阻限制较宽；（4）共模围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；（5）差动输入电压围较大，大到可以等于电源电压；（6）输出端电位可灵活方便地选用。

(5)继电器

继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控,遥测，通讯，自动控制，机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。继电器实质是一种传递信号的电器。

电子开关与继电器相比，不如继电器。因为继电器有以下好处： 1.与开关配合，实现了自动控制； 2.实现了控制回路与主回路的电气隔离； 3.触点电压电流都比较大。

4.仿真与调试

4.1调试

在初步的设计完电路后，使用仿真软件进行仿真，发现有很多问题，电路无法运行过去，因此我组进行分区域排除。

(1)首先对电源部分，使用示波器与电压表进行测试，并进行元件参数的改变，结果如下图所示：

(2)基准电压的调试,它主要是靠稳压二极管来稳定电压,不管输入电压为多少,其都为稳压二极管的电压值，开始时发现稳压二极管没有起到应有的作用，无法对电压进行稳定，经过电压表的测定后，发现其稳压值太低，因此查阅相关数据，选择了IN600B 的稳压二极管，可以满足基准电压的幅值。

变压后输出波形

变压后输出波形

整流后输出波形

(3)调试到电磁继电器时，发现无论输入电压是多少，继电器都是处于闭合状态，无法使其工作，将开关吸合住，也就无法起到过\欠压切断电路的作用，经过小组讨论与数据测试后发现，原因是电磁继电器两端电压无法达到其工作电压，因此其始终不工作，在更换继电器型号后，此问题也被解决。

(4)发光二极管的发光问题，在改变输入电压值后，发现其发光不可控，准确的说是其发光不按照一开始设计的要求进行发光，在经过前面的问题处理后，就先进行了发光二级管两端电压的测试，发现根本无法达到工作电压，经过测试，发红光二极管的工作电压大概在1.6v左右，因此将与二极管串接的电阻值改小，使二极管两端电压达到工作电压，问题也就圆满解决。

4.2仿真

(1)、欠电压状态

为了模拟欠电压状态，我们人为的将输入电压改为150v，并且用电压表测量了欠压部分反相输入端电压Ui，得到如下图所示结果：

从图中可以看出，电压Ui=6.476V小于基准电压7.89V，报警电路LED2绿

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。

(2)、过电压状态

人为的将输入电压改为300V，模拟过电压状态，用电压表测量过压部分的

同相输入端电压Ui，得到如下图所示结果：

据图观察，此时Ui=13.504V大于基准电压11.158V，报警电路LED1红灯亮，

表示此时电网过电压。可见，此时的仿真结果与我们假设并改变的电网电压250V

为过电压相一致。

(3)、正常状态

人为的将输入电压改为220V，模拟用电设备正常工作，结果如下图: 从图中看出,灯泡正常发光,两个LED灯都不发光,表示此时电路正常工作,

可见，此时的仿真结果与我们假设并改变的电网电压220V为正常电压相一致。

4.3 结论

通过以上两次仿真模拟，从中看出，尽管测量电压值与理想值有一点点误差，但是基本上可以忽略。这个电路满足设计要求，能够在电网欠电压时由正常状态灯泡正常放光变为LED2绿光亮起，过电压时又LED1红灯亮起，起到报警保护的作用。

5.心得体会

经过近7天时间的查找资料、设计、讨论、仿真、总结一系列的工作，在考试前，我们小组终于将电路仿真出来了。面对自己的心血成果十分欣喜，有成就感。在这里要感谢老师耐心指导，感谢小组同学齐心协力，共同克服难关，也让我感受到团队合作的巨大力量，我十分享受这个探讨研究的过程，可以说是乐在其中。

刚拿到这个课题时，作为组长的我来说是一头雾水，不知从何做起。经过查阅资料、讨论和老师的帮助，我们基本确定了设计方案。开始，我们设计的电路原理是正确的，但经过仿真运行发现，由于电路参数设置不正确,电路无法按照要求正确运行,无法达到预想效果。后来，我们查阅了许多资料，而且找到了一些所需的电路设计，经过一些改动、仿真，发现此电路可以比较精确地表达出我们想要的结果，那时高兴极了。通过这次动手实践，我发现光知道理论知识是不能够胜任这门功课，更别说是以后的工作了。所以，在今后的学习当中要理论与实际相结合去学习，去探讨，这样才能精通掌握这门功课，才算不枉费这大好的四年时光。最后，我觉得这次课程设计基本满足了此次要求，我也尽了自己最大努力当这个组长，我觉得此次收获很多，自己的能力也提高了许多，希望以后能多多参与类似的活动，不断地提高自己的分析，设计，动手能力。

参考文献：

1、黄培根，《Multisim虚拟仿真和业余制版实用技术》，电子工业出版

社，2008年

2、钱聪，《电子线路分析与设计》，教育，2000年

3、世平，编著，《模拟电子技术基础》，中国电力，2014年

4、康华光，《电子技术基础模拟部分》，高等教育，2013年

5、志恒，《电子技术基础实验教程》，中国电力，2008年