家电延时保护器.docx

课程设计任务书
学生姓名：______________ 专业班级：______电信09________
指导教师：____刘运苟____ 工作单位：____信息工程学院____
题 目：家电延时保护器
初始条件：
具备模拟电子电路的理论知识；具备模拟电路基本电路的设计能力；具备模拟电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。
要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、输入电压198～240v时，给负载正常供电，显示
2、输入电压，及时，对负载断电，并作高低超压显示
3、电压恢复正常后，延时5秒，恢复供电
4、25w灯泡作负载
5、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书
6、设计电源；
7、焊接：采用实验板完成，不得使用面包板。
时间安排：
十八周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试
指导教师签名： 年 月 日
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
目 录

摘要································································I
1 课题的提出依据和意义············································1
2 本课题的主要任务和研究内容······································1
2.1 本课题的主要任务···········································1
2.2 本课题研究的主要内容·······································2
3 电路组成和工作原理··············································3
3.1 直流稳压电流部分···········································4
3.2 延时电路···················································4
4 电路元器件的选择与计算··········································6
4.1 定时器IC的选择············································6
4.2 电压取样单元元件选择·······································7
4.3 延时电路元件选择···········································8
4.4 直流稳压电源元器件的选择···································8
5 电路的仿真······················································9
6 设计心得体会···················································13
参考文献···························································14

摘 要

随着我国人们生活水平的提高，电冰箱已经逐渐成为我国广大居民家庭生活必备的一种家用电器。然而，电冰箱的驱动电机在一定的电压范围内才能正常工作，供电电压过高或过低很容易导致绕组线圈烧毁。因此，电冰箱易损坏或寿命短是困扰人们的一个问题。究其原因，供电电压波动、瞬时断电是电冰箱损坏或寿命缩短的主要原因之一。而对于绝大多数家用电冰箱来说，瞬时断电与电压波动几乎是不可避免的。为此，我们利用变压器，再配以控制电路设计了一种自动稳压、自动延时的电冰箱保护器，该多功能电冰箱保护器能够根据负载电流判断线路中的各种故障并及时进行保护，最大限度的降低对人们日常生活的影响，是一种经济实用的电冰箱保护器。
电冰箱延时保护器，它可以在电冰箱起动过程中，在突然停电后，又立即恢复供电的情况下自动延时3～8分种，从而使电冰箱毛细管进、出二端的压差得到消除，防止冰箱电动机因过载起动或其他部件因过载起动而造成的损坏，有效地保证电冰箱的正常使用。本实用新型由直流电源、继电器和延时电路构成，具有结构简单，工作可靠，成本低廉等优点，它可以安装在电冰箱内和电冰箱控制电路构成一体，也可单独成立，作为电冰箱使用时的一个配件。
关键词：电冰箱保护器；综合保护器；保护特性；仿真

1 课题的提出依据和意义
电冰箱的驱动电机在一定的电压范围内才能正常工作，供电电压过高或过低很容易导致绕组线圈烧毁；另外，当电冰箱正在工作时突然断电而又立即通电时，电冰箱的压缩机所承受的启动电流要比正常启动电流大好几倍，导致压缩泵内压力很高，使驱动电机负荷过载，也容易烧毁电机。因此，电冰箱需要一个保护器对其进行检测和保护。
2 本课题的主要任务和研究内容
2.1本课题的主要任务
电冰箱是一种间歇工作的家庭电器，在接通电源后，其压缩电动机处于启动、运行、终止的反复循环过程。根据我国家用电冰箱技术标准的规定，电冰箱的电源电压应在175～235v范围内才能保证电冰箱的正常启动和运行。这是由于电冰箱的压缩机作为电动制冷器具的核心部件,其工作的安全性不仅关系到用户的财产安全,而且关系到用户的人身安全，并且压缩机都是在负载条件下启动的。启动时要求电动机启动转矩较大，如果在电源电压低于允许的下限值的情况下，势必迫使电动机的启动电流成倍增长，超过设计的允许的限度。电冰箱内设的热保护装置对这种瞬间大电流的反应较差，因而极易造成电动机绕组的烧毁。
另一方面，在电冰箱的压缩机处于工作状态时，不允许在电源突然中断后的短时间内重新接通电源。因为压缩机工作时，压缩泵一侧自蒸发器将低压制冷剂蒸发抽出，经过压缩成为高温高压蒸汽，自另一侧送往冷凝器，实现向空间排热。两侧压力差最大时可达到十一个大气压，压缩机中断运行后，须经一定的时间才能恢复两侧的平衡，最好保持在五分钟左右；倘若压缩机运行中出现断电后又很快接通的情况，由于两侧存在很大的压力差，电动机启动时的负载很大，启动电流较正常值成倍增加，从而带来烧毁电动机的危险。
为了避免上述危险的发生，我们应该给电冰箱配备一个冰箱保护器，该保护器能够在电网电压过压或欠压情况下，使电冰箱供电系统停止供电，电网电压恢复正常后自动恢复供电；当电冰箱正在工作时，一旦电源中断立即又恢复供电，要使其在5分钟之后才恢复供电。
本保护器的设计需要考虑下面几个方面的问题:
(1)合适性 由于保护器的种类繁多，加之不同厂家生产的电机也有差别。因此，能型电动机综合保护器应该有较好的适应性，即通过简单方便的设置就可使保护器不同的保护特性的要求。
(2)正确性 为了充分发挥电机自身的过载能力，同时还要对电机进行有效保护。要求保护器的动作要准确。不准确的动作或造成电机的损坏，或不能充分发挥的过载能力，造成不必要的跳闸断电，影响生产。
(3)保障性 这一方面要求保护器在无故障时不能产生误动作，而在故障发生不能拒绝动作，特别是在过压、欠压和突然断电时。要在规定的时间内，准确、可靠地完成规定的保护功能，并且，设计的合理性以及制造时的工艺保证是非常重要的。
2.2本课题研究的内容
本课题研究的主要内容主要包括以下几个方面：
（1） 正确设计电路图，实现对电冰箱过压保护的设计
从目前我国供电情况来看，供电电压还不太稳定。当电网电压240V时，电动机绕组会因电流过载而出现发热导致破坏绝缘层的现象。
（2） 正确设计电路图，实现对电冰箱欠压保护的设计
当电网电压180V时，会因启动转矩不足，造成压缩机启动困难，势必迫使电动机的启动电流成倍增长，超过设计的允许的限度，使压缩机受到损害。
（3） 正确设计电路图，实现对电冰箱延时保护的设计
由电冰箱的压缩机的工作原理可知，在电冰箱的压缩机处于工作状态时，不允许在电源突然中断后的短时间内重新接通电源，而应使电冰箱必须经过5分钟后才能恢复供电，才不会影响电冰箱的正常工作和人们的日常生活。
（4） 根据画好的工作原理图，设计出相应的仿真
PCB图是电路板的映射图纸，它详细描绘了电路板的走线、元件的位置、线路板的尺寸、表面印什么字、底面怎么做铜箔等等，发往PCB厂家加工出来。
3 电路组成和工作原理
电冰箱保护器电路原理图如下图所
图3.0.1原理图
该电路的主要功能是当电网电压240V或180V时，向驱动单元提供驱动信号，使继电器触点动作，电冰箱断电；当电网恢复供电时，为延时电路输入一个负脉冲，以便延时电路工作，使冰箱经5分钟才能通电

图3.0.2工作设计框图
设计原理：电网电压采样样本通过比较器进行比较，然后通过比较器控制555时基电路，然后通过555时基电路来控制三极管和继电器的工作，从而实现对负载即用电器的控制。
3.1直流稳压电源部分
该电源由变压器T、整流二极管、稳压管、调整管、电容及电阻与组成。该电路的主要功能是产生两种大小不同的直流电压：E点输出电压=22V，供给驱动单元；F点输出电压=11V,作为与非门和555定时器IC的电源电压。直流稳压电源电路的工作原理如下：
1 由变压器T、整流管、电容组成全波桥式整流电容滤波电路。220V的交流电压经降压变压器降压后，又经组成的整流桥，输出脉动的电压，再经的滤波，便在其两端（即稳压电路的输入端）获得直流电压。为了能在电网电压波动或负载电流变化时，该电源所输出的直流电压基本稳定，必须设有稳压电路。
2 由、、电容和、电阻和构成了基本调整管串联型稳压电路。其中和组成复合调整管，与，及电阻R15构成第一级稳压电路，在E点输出22V直流电压。它的特点是与稳压管稳压值是“跟随”的关系，所以只要稳压管电压、保持稳定，则当电网电压和负载电流在一定范围内变化时，UE也能基本稳定。由于加了射极跟随器，使稳压电路带负载能力增强了。同理，，又组成了第二级稳压电路，在F点输出11v的直流电压。电容和是为了改进稳压电路的暂态响应而设置的，即瞬时增减负载电流时不至于引起输出电压有较大的波动。

3.2延时电路
为防止因断电后又立即通电而烧毁电机，因此要用延时电路。该延时电路由555定时器IC、电容、电阻等组成。由图2可知，该电路是一个负脉冲触发的单稳态延时电路，它的工作原理如下：

图3.2.1 单稳态触发器工作波形
1.当电网电压从大于240V降至略小于240V时，由于,门的状态翻转，输出为“1”电平，门由输出“1”变为输出“0”（这时有），通过给555定时器IC的2脚送入一个负脉冲，则3脚变为“1”电平。同时放电管截止，直流电源经电阻对电容充电，（）上升。经5分钟后，,555电路状态翻转，3脚恢复为“0”电平，输出一个负脉冲，经电容送至RS触发器，使 (这时因输出“0”电平，输出为“1”电平，即),迫使RS触发器翻为“1”状态（Q=1），门及输出“0”状态，及截止，继电器常闭触点闭合，电冰箱恢复工作。这里555定时器3脚“1”电平的保持时间（放电管的截止时间）仅与电阻和电容的乘积成正比，而与直流电源电压的大小无关。调整,可以延时5分钟。单稳态触发器的工作波型见图5所示。其中为2脚电压，为3脚电压，为7脚电压的波形。
2. 若电网电压从小于180V上升到大于180V时，（这时UB5～18v），输出电流最大值可达200mA，能直接驱动大电流负载，最高工作频率可达300Khz。

图4.1.1 555时基引脚功能图
555定时器IC的工作原理如下：

图4.1.2 555定时器内部原理图
上图为555时基集成电路的内部方框图，可以看出555时基电路由两个比较器和，一个晶体管，三个分压电阻，一个R-S触发器和一个功率输出电路构成。
上限比较器的同相输入端6脚称为复位端R，当R端的点位高于的反相输入端的点位=（2/3）时，输出为“1”，使后随R-S触发器复位，输出端3脚Vo为逻辑“0”，电路处于复位状态。下限比较器的反相输入端2脚称为置位触发端，当的电位低于A2同相端的电位=（1/3）时，输出为“1”，电路处于置位状态。R-S触发器处于置位状态时，Vo=“1”，BG管截止， 7脚对地断开，允许外部电容充电；当R-S触发器处于复位状态时，Vo=“0”，BG管导通， 7脚对地相当于短路，外部电容通过BG管放电。5脚为外部电压控制端，用于施加控制电压。4脚是R-S触发器的优先复位端，只要为“0”，实际上<0.7V时，无论R和S端处于什么点位,输出端Vo都为“0”，电路处于强制复位状态。
4.2电压取样单元元件选择
要求在R2两端取出约40V的交流电压，占供电电压（220V）的十一分之二，故选:，。整流二极管选用2CZ55B,滤波电容: ，。因为是半波整流电容滤波，电容两端的电压：，设二极管 的工作电流：，又要求 ，可计算出：，可取。
要求，因为CMOS与非门的电源电压由直流电源的F端供给，即,所以，以此为据，可选择，，的电位器。。选,,。

4.3延时电路元件选择
选，可以计算出的范围，在图3中，。
当时，可选用470的固定阻值与1.5的电位器串联。，，，，。
4.4直流稳压电源元器件的选择
选。变压器T的选择：。因整流滤波电路为全波桥式且电容滤波，所以变压器次级电压，取.选电源变压器为初级输入220V交流电压，次级电压为30V、电流为0.1A。二极管选用2CZ55B.
电容的选择：，，。三极管的选择：选3DG100B,和选3DG130B.
以上电阻均选用RJ0.25W的金属膜电阻，电位器均选用稳定性较好的小型电位器。

5 电路的仿真
此次仿真使用的是pretuse仿真软件，电路的仿真总图如下. 此次仿真电路中没有接入电灯泡，而是用两个发光二极管来做指示灯，通过发光二极管的发光或熄灭来指示继电器的工作状态。

图5.1 仿真电路总图

当才上电时，继电器处于断开状态，红色发光二极管D1点亮，红色发光二极管D3点亮。绿色发光二极管D4不亮，大约25S后，继电器吸合。红色发光二极管熄灭，绿色发光二极管D4点亮。调节可变电阻RV1。使LM339 5,6脚的电压增大，打凋到大于7.9V时，继电器断开，此时，红色二极管D3点亮，其余的都熄灭，再调节RV1是LM339 5,6脚电压减小，当凋到6.5V时，继电器再次断开，此时，同上。
下面为输入不同电压所得到的不同的仿真结果图：

图5.2 电压正常时的仿真结果

图5.3电压正常时的参数
当然后调节变阻器，使电路过欠压时，555时基电路5,6脚输出高电平，3叫输出地电平，三极管Q1截止，继电器断开，仿真结果如下图：

图5.4 过欠压时的仿真结果

图5.5过欠压时的参数设定
所需原件参数一览表：

6 设计心得体会
通过本次模电课程设计的学习，我学会了运用软件去设计电路图并且进行相应的仿真训练，了解了电冰箱的相关工作原理，了解了家电延时保护器的生成与应用。而且本次课程设计也使我加深了对模电理论知识的理解，而且进一步的将理论应用在实际生活中。同时成功的使用电烙铁进行了实物焊接，制造出了家电延时保护器保护器相对应的实物模型。
这次使用pretuse来进行电路仿真，我们着实遇到了不少的麻烦，不过通过我们一次次调试，一次次试验，最终取得了成功。也使我们更加精通了pretuse仿真软件的使用，更加坚定了我们的信念。
通过电路板的焊接，也提升了我的动手能力，为以后的单片机学习奠定了一定的基础。也增强了我做事的勇气和信心。使我相信，只要自己认真去做了，用心去思考了，没有什么事情是那么的难办的。
同时，这次课程设计也让我体会到了自己动手的乐趣，培养了我对专业学习的兴趣，激发了我对模电及相关方面的学习热情，让我受益匪浅。

参考文献
[1] 孙余凯 稳压电源设计与技能实训教程 电子工业出版社 2007
[2] 童诗白 模拟电子技术基础 高等教育出版社 2003
[3] 武予鲁 电动机及其保护装置的工作原理与使用 煤炭工业出版社 2002
[4] 陈生贵 电力系统继电保护 重庆大学出版社 2003
[5] 熊幸明 电工电子实训教程 清华大学出版社 2007
[6] 周惠潮 常用电子器件及典型应用 电子工业出版社 2007
[7] 阎石 数字电子技术基本教程 清华大学出版社 2007

本科生课程设计成绩评定表
姓 名

性 别

专业、班级

课程设计题目：
课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日