模电课程设计——电冰箱保护器的设计.doc

目     录

一、设计任务和指标要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
二、设计框图及整机概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
三、各单元电路的设计方案及原理说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
四、仿真调试过程及结果分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
五、设计、安装及调试中的体会．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
六、对本次课程设计的意见及建议．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
七、参考资料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
八、附录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
附件1 整机逻辑电路图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
附件2 元器件清单．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

一、设计任务书
1、设计时间：2010.7.5～2010.7.9
2、地点：I404
3、课程设计题目：电冰箱保护器的设计
4、设计内容及要求：
1）设计内容：
1、设计电冰箱保护器，使其具有过压，欠压，上电延迟功能．
2、电压在180V~250V范围内正常供电，绿灯指示，正常范围可根据需要进行调节．
3、过压，欠压保护：当电压低于设计允许最低电压或高于设定允许最高电压时，自动切断电源，且红灯指示．
2）设计参数
1、上电，过压，欠压保护或瞬时断电时，延迟３～５min才允许接通电源．
2、负载功率＞２００Ｗ．
3）设计要求：
1、选取单元电路及元件；
2、设计总体电路原理图；
3、整体电路的联调（完成全电路理论设计、仿真、调试 ）；4、撰写设计报告。

二、设计框图及整机概述
本电路的电源由220V交流电经过变压器变压、整流电桥整流，并经过7812稳压后提供。其中，U1从整流电桥的输出端取样，当市电电压在正常范围（180V~250V）内时，电路各部分正常工作；当市电电压超出正常范围时，控制电路控制继电器停止工作。555时基电路起控制延时作用。电路组成框图如下：
V上限

控制电路

（555）定时器

负

载

继

电

器

比

较

器

U1

V下限

图 1 电路设计框图

三、各单元电路的设计方案及原理说明
1.电路设计方案
1）变压、整流、稳压
本电路先经过变压器变压T1，变压系数为16:1，再经过整流电桥D1整流，最后经过LM7812稳
2）比较器设计
电路中LM339的两个比较器和RP2,RP3等组成过电压,欠电压检测电路。
3）控制电路
控制电路主要由BJTQ1、Q2和555时基电路组成。其中LED1为电压指示灯，D2防止电容反相放电，D3对继电器稳压

图2 电冰箱保护器原理图

2.电路工作原理
接通电源后,220V交流电经变压器的降压,整流桥的整流,稳压器7812的稳压后,在RP2和RP3两端可获得约12V直流工作电压.根据变压器的变压系数,调整电位器RP2和RP3,使市电电压在正常范围内,上,下比较器都输出高电平,此时VT1导通,电压指示灯LED保持发亮.因为C1两端初始电压为0,555时基电路的阈值端6脚为高电平,555时基电路复位,三极管VT2截止,继电器K1的常闭触点保持吸合,电冰箱电源被切断.然后电源向C1充电,使2,6两脚电位不断下降,约经过5min,可使电位降至12V电压的1/3,555时基电路才置位,3脚输出高电平,VT2导通,继电器K1通电吸合,其常闭合触点K-1断开,电冰箱通电工作.当交流电网意外断电时,C1储存电荷通过R2,D5迅速泄放,当电网恢复供电时,电路又要延迟5min左右才向电冰箱供电,从而确保电冰箱压缩机不受损坏.当市电电压升高到280V以上,上比较器输出低电平;市电电压下降到180V以下,下比较器输出低电平.只要两者之一输出低电平,VT1截止,LED熄灭.此时6脚为高电平,555时基电路复位,输出端3脚为低电平,电冰箱电源被切断,从而使电冰箱在电压过高或过低的情况下自动停止工作,保证了电冰箱能安全工作于规定的电源范围内.当电压恢复正常时,电路要延迟5min左右才向电冰箱供电.电路原理图如图2所示。
3.参数计算
设变压器的变压系数是16:1,整流后的输出电压u3≈1.2×u2, 当u1分别为220V,180V,250V时,u2,u3,Va的计算如下:
u1 =220 V u2 =220÷16 =13.75 V
u3 =1.2×13.75 =16.5 V
Va =8.25 V
u1’ =250 V u2 =250÷16 =15.6V
u3’ =1.2×17.50 =18.75 V
Va’ =9.85V
u1 ”=180 V u2 =180÷16 =11.25 V
u3” =1.2×11.25 =13.5 V
Va” =6.75 V
所以,比较器的上限电压为10.5V,下限电压为6.75V.调节电位器RP2和RP3,使LM339的5脚电压为10.5V,8脚电压为6.75V,从而设置好比较器的上限和下限电压值,使电路在280V≤u1≤180V能正常工作.
电网由断电到恢复供电后,电冰箱要延迟一段时间才能正常工作,此段延时时间Tp由NE555的外围电路C1和 R3决定:
Tp≈1.1×R3×C1
因为电路要求延时5分钟(300秒),设C1=220μF,则R3的阻值计算如下:
R3 = 300 ÷ ( 1.1×220×10-6 ) ≈1.2×106 Ω

四、仿真调试过程及结果分析
1.仿真的预期结果
①当输入电压由0跳到正常电压的范围内,此时,D1(绿色)发光,D2(绿色,负载)仍不工作,大约经过5min的时间才开始工作(发光),D3(红色)则与D2相反;
②当输入电压在范围外恢复到正常电压范围内时,工作情况与①相同;
③当输入电压在正常范围内跳到电压范围外,D1,D2立即熄灭,D3发光,说明负载停止工作;
④当输入电压在正常范围内突然停电,所有的发光二极管都熄灭.
2.由于该方案在Multisim软件中无法正常仿真，因此在Protel 99SE软件中对其放真，仿真图如下：

图3 Protel 99SE仿真图

1）设置电源电压U1为50V，输出OUT1、OUT2值加的电压差几乎为0V；
2）设置电源电压U1为100V，输出OUT1、OUT2值加的电压差几乎为0V；
3）设置电源电压U1为170V，输出OUT1、OUT2值加的电压差几乎为0V；
4）设置电源电压U1为200V，输出OUT1、OUT2值加的电压差约为10V；
5）设置电源电压U1为220V，输出OUT1、OUT2值加的电压差约为10V；
6）设置电源电压U1为240V，输出OUT1、OUT2值加的电压差约为10V；
7）设置电源电压U1为280V，输出OUT1、OUT2值加的电压差几乎为0V；
8）设置电源电压U1为300V，输出OUT1、OUT2值加的电压差几乎为0V；
8）设置电源电压U1为350V，输出OUT1、OUT2值加的电压差几乎为0V；
3．用Multisim软件对令乙方按进行仿真，结果如下
j通220v电压，上电延迟中

图4

k如下图所示输入220v电压正常工作中

图5

l如下图输入250v过压电压断电保护中

图5

④如下图输入180v低压断电保护中
图6
从上图的仿真结果中看出该电冰箱保护器保护器作性能良好，在过压、欠压的情况下能很好的保护电冰箱，从而使之在无人监控情况下正常工作。与此同时实现了上电的延迟从而更好的保护了电冰箱。

五、设计、安装及调试中的体会
作为一名自动化专业的学生，我觉得能做这样的课程设计是十分有意义。在已度过的两年大学生活里我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去面对现实中的各种电子设计？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅了很多次设计书和指导书，以及大量的网络资料。为了让自己的设计更加完善，更加符合设计标准，一次次翻阅指导书是十分必要的，同时也是必不可少的。
通过这次课程设计，我了解和学会了如何使用Multisim软件，并复习了对Protel 99SE软件的使用。尤其是Multisim这个软件，在以前根本没听过，通过学习，逐渐学会了Multisim软件基本的使用方法，也认识到其在电路仿真方面的强大功能。
另外，课堂上也有部分知识不太清楚，于是我又不得不边学边用，时刻巩固所学知识，这也是我作本次课程设计的第二大收获。通过查资料，我们对电冰箱保护器这一器件有了深刻的了解，把理论应用到了实践当中。整个设计我基本上还满意，由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。希望答辩时，老师多提些问题，由此我可用更好地了解到自己的不足，以便课后加以弥补。

六、对本次课程设计的意见及建议
由于只有一周的课程设计时间，我们对很多东西都还没掌握。尤其是对Multisim软件的使用之掌握到皮毛，因此我建议加长课程设计的时间，能够让学生的知识和技能更扎实，稳固。另外，我建议实验室的电脑能够上网，一边学生在时间的过程中能够随时查找资料。

七、参考资料
1．任国燕.模拟电子技术实验指导书.重庆科技学院.2008年11月.
2．康华光.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社.2006年12月.
3．陈有卿.《 实用555 时基电路300 例 》.中国电力出版社. 2005月.
4．庄俊华,何伟良,张俊红. Multisim 9入门及应用. 机械工业出版社.2008年3月.

八、附录
附录1

附录2：元器件清单

序号
编号
名称
型号
数量
1

变压器

1
2

整流桥

1
3
D4、D5
二极管
1N4004
2
4
R1、R5、R6
电阻
10 K
3
5
VT1/VT2
三极管（NPN）
9013
1
6
RP2、RP3
可变电阻
50 K
2
7
C3、C5
电容
0.1uF
2
8
7812
稳压器
7812
1
9
LIA、LIC
比较器
LM339
1
10
555
延时器
NE555
1
11
R2、R4
电阻
4.7 K
2
12
C4
电解电容
47uF
1
13
C5
电解电容
0.1uF
1
14
C6、C1
电解电容
220uF
1
15
R3
电阻
1.2MΩ
1
16
D1
发光二极管
LED
1
17
C2
电容
0.01 uF
1
18
K1
继电器

1