过电压保护电路

新疆大学课程设计报告所属院系：科学技术学院专业：电气工程及其自动化课程名称：电子技术基础上设计题目：过电压保护电路设计班级：电气14-1学生姓名：庞浩学生学号：20142450007指导老师:常翠宁完成日期：2016.6.30课程设计题目：课程设计是将理论知识应用到实践中的过程，是理论和实践的结合。

此外，电子技术综合课程设计是将我们所学的《模拟电子技术基础》和《电路》的综合应用，欲通过此次课程设计将我们所学的理论知识运用到生活实践之中去，一致更好的学习理论知识。

我们此次的设计任务是“电网电压异常报警器过电压保护电路设计”，主要是针对我们学习模拟电子技术与之前所学的物理、电路基础综合起来，进行综合，以设计培养我们独立分析、思考与解决实际问题的能力。

以及如何学以致用，将所学的课程运用到实践生活中。

通过此次的课程设计，我们应该达到以下的基本要求：1．能够在理论知识的基础上进一步熟悉常用电子器件得的类型和特性，合理地进行选择和运用。

2．能够独立地对课题进行分析，运用所学的理论知识，通过翻阅资料，设计出最优方案。

3．学会电子电路的安装与调试技能，培养我们分析与解决问题的能力。

指导教师评语：评定成绩为：指导教师签名：2016年6月30日电网电压异常报警器过电压保护电路设计（Over Voltage Protection）一、总体方案的选择经过小组成员的分析与讨论，得出过电压保护电路设计的框图如下：1．双向二极管限幅电路运用二极管的单向导通性，可以对输入电压进行限幅。

电路图如1-1所示，限幅后的波形图如图1-2所示。

图1-1二极管双向限幅仿真电路图图1-2二极管双向限幅输出波形图优点：结构简单，使用方便，便于实现，经济划算。

缺点：（1）输出波形有失真；（2）电压过大时容易被击穿；（3）需要很大的直流偏置电压。

因此不选用该方案。

2．经典过电压保护电路MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398过压保护(OVP)器件用于保护后续电路免受甩负载或瞬间高压的破坏。

器件通过控制外部串联在电源线上的n沟道MOSFET 实现。

当电压超过用户设置的过压门限时，拉低MOSFET的栅极，MOSFET关断，将负载与输入电源断开。

过压保护(OVP)器件数据资料中提供的典型电路可以满足大多数应用的需求(图2)。

然而，有些应用需要对基本电路进行适当修改。

图4VGA过电压保护电路优点：便于集成缺点：需要特殊元件才能实现，竞技性差，技术要求高，不容易实现。

输出得到稳定的电压。

而取样电路的所取的电压则是没有经过稳压的电压，能够随时将取得的电压情况反馈到触发电路，从而达到过电压自动保护的目的。

图5-1电磁继电器式过电压保护电路二、单元电路的设计1.变压电路通过变压器将较高的一次侧电压（220V），以便后续的整流、滤波电路进行处理。

图5-2变压电路2122011 20V V V=⨯=(公式1）2．单相桥式整流电路（1）简介桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。

这种电路，只要增加两只二极管连接成“桥”式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。

基本原理就是利用二极管的单向导电性，将交流电变成一个方向流动的电流。

让交流电流的正半周到来时顺利通过二极管（正向导通），当交流电流的负半周到来时（方向与正半周相反）二极管反向截止，则不能通过，如此循环，就形成一个方向的电流，图5-3单相桥式整流电路直接使用电桥既可。

3.滤波电路（1）简介滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组成的各种复式滤波电路。

交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是大小（电流强度）还是处在不断变化之中。

这种脉动直流一般是不能直接用来给集成电路供电的。

要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”的工作，这便是滤波。

换句话说，滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电经过整流后的电源电压虽然没有交流变化成分，但其脉动较大，需要经过滤波电路消除其脉动成分，使其更接近于直流。

滤波一般采用无源元件电容或电感，利用其对电压，电流的储能特性达到滤波的目的。

由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L2当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。

滤波电路形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电容器C接在最前面）和电感输入式（电感器L接在最前面）。

前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时，仅用一电感器与负载串联）。

（2）工作原理设电容C上初始电压为零。

接通电源时U2由零逐渐增大，二极管D1，D3，正偏导通，此时U2经二极管D1，D3向负载RL提供电流同时向电容C充电，因充电时间常数很小，电容C上电压很快达到U2的峰值，即Uo=sqrt(2)U2达到最大值以后，按正弦规律下降，当U1<UC时，D1，D3的正极点位低于负极电位，所以D1，D3截止，电容只能通过负载RLC放电，放电时间τ放=RLC，放电时间常数越大，放电就越慢，U0的波形就就越平滑。

在U2的负半周，二极管D2，D4正偏导通，U2通过D2，D4向电容C充电，使电容C上电压很快达到U2的峰值，过了该时刻以后，D2，D4因正极电位低于负极电位而截至，电容又通过负载RL放电，如此周而复始，就可以再负载上得到的是脉动成分大大减小的直流电压。

纹波增加，所以电容滤波适合在负载电流较小和和输出电压较高的情况下使用，如各种家用电器的电源电路上，电容滤波是被广泛应用的滤波电路之一。

此外，该方案还用到了二倍压整流电路，由于篇幅限制，此处不再赘述。

4．触发器如图5-5所示触发电路，当D 点电势D V -K V ≥11V 时，K V =4.5V ，即二极管D1导通，且报警电路被触发。

图5-5触发器5.继电器继电器如图5-6所示,它能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感测机构（输入部分）；又能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。

感测机构把感测到的参量传递给中间机构，并和整定值相比较，当满足预定要求时，执行机构便动作，从而接通或断开电路。

本设计采用的是EMR011B03，它的优点是超小型、重量轻、线圈损耗功率低。

图5-6继电器结构图作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用：（1）扩大控制范围。

例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。

（2）放大。

例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。

（4）综合信号。

例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。

（5）自动、遥控、监测。

例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。

本设计继电器主要用作动作元件，用来控制整机电路的通断。

三、整机电路图通过对上述单元电路的综合，我们得到整机电路图：图5-7整机电路图所需元件如下表所示：表1元器件明细表名称规格数量单相交流电源220V 50Hz 1变压器20：11二极管1电桥1B4B421电解式电容100uF 1电阻1kΩ1电阻10kΩ1电阻2kΩ1直流电源11V 1常闭式电磁继电器EMR011B031发光二极管红1发光二极管绿1四、仿真与电路调试1．当输入电压i U <250V 时，变压器二次侧电压211120i U U V ≤=,21.213.2D U U V ≈≤，。

当D U <13.2V 时,二极管不导通，电磁继电器所在回路开路，负载所在回路保持接通。

此时，红灯熄灭，绿色发光二极管发出绿光，提示电路工作正常。

如图5-8所示。

由图我们可以看到UD 在Ui=220V 时已经达到13.59V，说明250i U V =时，13.2D U V >,与上面由参数推算出的数据稍有偏差。

图5-8过电压保护电路正常工作2．当输入电压250i U V≥时，变压器二次侧电压U2=1/20Ui 211120i U U V =≥,21.213.2D U U V ≈≥，但是由电压表实际测量出的结果，此时15.5D U V ≥,说明了理论值与实际参数的偏差。

当15.5D U V ≥时，二极管导通，且电磁继电器工作，使负载所在回路断开。

与此同时，红灯亮起发出警报，绿灯熄灭，提示电路出现过电压。

如图5-9所示。

图5-9过电压保护电路保护负载并报警3．当电路出现了过电压，且电压恢复到正常范围内之后。

此时电磁继电器端电压小于触发电压，电磁继电器停止工作，负载所在回路恢复接通状态，负载正常工作。

同时，绿灯亮起，红灯熄灭，表示电路恢复了正常工作状态。

如图5-10所示。

图5-10电压恢复正常后恢复给负载供电并解除警报五、小结我们的设计主要是对市电过压自动保护器的功能阐述和原理分析以及组成部分电路的分析。

在当今社会，电子技术的发展日新月异，现代电子设备性能和结构发生的巨大变化目不暇接。

我们已经进入了高速发展的信息时代。

电子技术的广泛应用，给工农业生产、国防事业、科技和人民的生活带来了革命性的变化，人民的生活、起居、学习等都离不开电，通过此次的毕业设计我了解到学以致用的道理，让我在这次小小的实践中，更加巩固以前所学专业知识，能在以后的工作中得到很大的帮助。

本保护器经过检测和分析，确认它有自动保护功能，当市电电高于设定的电压时自动切断负载的供电线路，可防止用电设备内过电压而损坏；而且它还能在电网电压恢复正常后恢复供电。

但该方案还存在许多问题需要我们改进：1.继电器安装在二次侧，所以在反应时存在一定的延迟，某些高灵敏度的设备可能因此而保护不到；2.使用了两个电磁继电器和整流电路，我相信经过一定的改进与优化，可以仅使用一个电磁继电器和一个整流电路就可实现该方案，从而降低过电压保护电路的成本。

设计完此电路，学到了许多课本上学不到的，遇到了许多问题，多亏老师的细心讲解。

进一步地了掌握了Multisim12.0的使用，学会了在理论知识的基础上进一步熟悉常用电子器件得的类型和特性，合理地进行选择和使用；学会电子电路的安装与调试技能，培养我们分析与解决问题的能力。