毕业设计（论文）-电冰箱保护器设计.doc

哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -i- 摘 要 本文是在分析了目前国内外电冰箱保护器的研究进展与现状的基础上，设 计了一种集过压、欠压、双延时保护及漏电提醒于一体的多功能电冰箱保护器。 文中首先探讨了冰箱保护器的价值和发展状况，并提出了设计的主要任务和要 求。然后分析了电网过、欠压或突然断电时，压缩机受到的影响，并根据其工 作原理，绘制电路原理图，并且进行元器件的选择和计算以及电路的调试。最 后进行分析总结，并写出该设计的参考文献。 关键词: 电冰箱保护器；过压；欠压；延时 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -ii- abstract this article is the analysis of the refrigerator at home and abroad protector of progress and status, based on the design of a set of over voltage, under voltage and delay protection in one integrated intelligent refrigerator protector. in the first part of the refrigerator to protect the value and development of devices and put forward the main tasks of design and content. then analyzes the power-off, under voltage, and a sudden power failure, the compressor will be affected by their work in accordance with the principle of drawing circuit schematics, for the choice of components and calculation of the corresponding pcb design. finally, analyzed and summarized, and write the reference design. keywords: refrigerator；protector；power-off voltage; under voltage；simulati 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -iii- 目 录 摘 要.i abstract.ii 第 1 章 绪论 1 1.1 课题背景1 1.2 国内外保护器的发展状况2 1.3 设计任务与要求2 1.3.1 设计任务 .2 1.3.2 本课题研究的技术要求 .3 本章小结.3 第 2 章 方案论证 4 2.1 系统基本方案选择和论证4 2.1.1 整流电路的选择方案和论证 .4 2.1.2 滤波电路的选择方案和论证 .4 2.1.3 取样电路的选择方案和论证 .5 2.1.4 延时电路的选择方案和论证 .5 2.2 电路设计最终方案确定5 2.2.1 方框原理图 .5 本章小结.7 第 3 章 系统单元电路的设计与分析 8 3.1 整流电路8 3.1.1 单相桥式整流电路 .8 3.1.2 主要性能指标 .9 3.2 滤波电路9 3.3 稳压电路10 3.3.1 稳压二极管 .10 3.3.2 7809 稳压器 .11 3.4 电压取样鉴别电路11 3.5 驱动电路12 3.6 延时电路13 本章小结.14 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -iv- 第 4 章 整机工作原理 15 4.1 过压、欠压、断电运行状态分析15 4.2 整机工作原理分析16 4.3 电路各元器件的作用17 4.4 各元器件的选择与计算18 本章小结.21 第 5 章 系统的安装与调试 22 5.1 系统的安装22 5.1.1 辨认与测量元器件 .22 5.1.2 焊接体会 .22 5.2 电路的调试22 5.3 调试中的问题23 5.4 使用 cmos 芯片注意事项.23 本章小结.24 结 论 25 致 谢 26 参考文献 27 附录 1 中文参考资料 .28 附录 2 英文参考资料 .30 附录 3 整机原理图 .33 附录 4 元器件表 .34 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -1- 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 家用电器保护器是发电、供电、用电系统的重要器件。它是跨行业、量大、 面广、节能效果显著的节能机电产品。几乎渗透到所有用电领域，是工业、农 业和国防建设及人民生活正常生产和安全工作的重要保证，在国民经济和节能 事业中有着不可替代的重要地位和作用。 来自中国家电行业协会的数据，目前中国冰箱、冰柜的总产能已经超过 3000 万台，而这两种家电产品全球总产量不过 7000 万台左右，中国冰箱业的 产能已经占了全球的“半壁江山”。外国巨头在国内市场的不断扩张和国内企业 持续不断扩大的产能，使中国冰箱市场的发展日趋成熟。但是，从我国目前的 供电情况来看，电网设备还不够完善，供电电压不太稳定，电压波动值可能超 出电冰箱的允许范围（我国规定供电电压稳定度应该在正负百分之十） ，而且 局部断电又时有发生，根据以上种种原因就应运而生了电冰箱的自动保护器。 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。 另外，据不完全统计，全国运行的 1kw-320kw 低压电动机数量为 6000 万台，占电网用电量的 70%以上，是工农业及商业系统中应用最为广泛的动力 设备。全国每年烧毁电动机数量约 300 万台，容量为 10 亿千瓦，每年仅电动 机在烧毁过程中就耗电为数亿万度，修理费高达数 100 亿元左右，造成停工停 产损失竟达数 100 亿元。仅上述费用不算，还会造成电机修理后功率下降，耗 电量大，性能变差直接影响企业正常生产。并且中华人民共和国节约能源法 也颁布了有关规定。综上所述，电动机保护器不仅能保证工农业正常生产，提 高生产效率和经济效益，而且在节能事业中也有着重要意义。 1.2 国内外保护器的发展状况 从时间上划分，电动机保护器的发展大致可划分为三代: 第一代是以传统的机电式继电器为主，包括:熔断器、热继电器、电动机 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -2- 保护用自动开关及双金属片式温度继电器等。主要缺点在于只适用于电动机的 短路保护，而不能用于电动机的过载保护。 第二代是采用电子元件和中小规模集成电路的电子式电动机保护器。它包 括电子式电动机综合保护器及电子式温度继电器等等。电子式电动机保护装置 是随着电子技术的速发展应运而生。 电子式电动机综合保护装置是由电子元器件组成，不存在机械误差和磨损, 因此，动作速度快、精度和灵敏度高，寿命较长，耐冲和振动，整定简便。但 仍存在着扩展功能不够灵活，保护特性不易改变，灵敏度及电流的整定范围受 到硬件的限制和电动机运行状态的监控不够完善等一些缺陷。 第三代是采用微处理器的智能型电动机保护器。进入 20 世纪 90 年代以来， 由于微机通讯技术和网络技术的发展，国外一些公司又提出了兼有监控、保护 功能的智能化保护器。它能与中央控制系统进行双向通讯，形成监控、保与信 息网络;也能监视电动机各种运行参数，不但能测量当前数据，并能对过去的 运参数及故障情况做出统计，帮助操作人员做出决策定以减少线路和设备的停 机和维修间。大大提高了整个系统的可靠性。 1.3 设计任务与要求 1.3.1 设计任务 传统人们在用电时会因技术故障、人为故障、设备老化、质量低劣、自然 灾害等引起的电压过高过低、停电再来电而烧毁电器，甚至因此发生火灾的问 题，造成了人身的危害和资金的浪费。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 3 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 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -3- 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。 1.3.2 本课题研究的技术要求本课题研究的技术要求 1、当电网电压高于 240v 和低于 180v 时，自动切断电源。 2、具有瞬间断电保护,瞬间超压保护，瞬间欠压保护功能。 3、具有延时 3 分钟再通电功能。 4、具有箱体漏电显示功能。 本章小结 本章为绪论，主要介绍电冰箱保护器的课题背景，简介家用电器保护器是 发电、供电、用电系统的重要器件以及良好的商业前景。其次介绍国内外发展 状况，列举电动机保护器三代的发展，最后介绍本课题的主要任务和需要完成 的技术要求。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -4- 第 2 章 方案论证 2.1 系统基本方案选择和论证 2.1.1 整流电路的选择方案和论证 方案一 采用单向半波整流电路，是利用二极管的单向导电性，使变压器二次交流 电压变换成负载两端的单向脉动电压，达到了整流的目的。因为这种电路只有 在交流电压的半个周期内才有电流流过负载，所以成为单向半波整流电路。半 波整流电路的优点是结构简单，使用元器件少。但也有明显的缺点：输出波形 脉动大；直流成分比较低；变压器有半个周期不导电，利用率低；变压器电流 含直流成分，容易饱和。所以只能用在电流较小，要求不高的场合。 方案二 针对半波整流的缺点，下面介绍单相桥式整流电路。桥式整流电路在同样 的变压器二次电压作用之下，输出的波形所包含的面积是半波整流电路的两倍， 因此其平均值也是半波整流电路的两倍，桥式整流电路输出电压的脉动成分也 比整流时下降了。 所以选择了单相桥式整流电路。 2.1.2 滤波电路的选择方案和论证 方案一 采用电感滤波电路，是由于电感有阻止其电流变化的特点，因此，在负载 回路中串联一个电感，将使负载上的电流波形比较平滑。但是由于电感滤波输 出电压较低，另外，由于采用电感，会比较笨重，通常用于功率比较大的电源 中。 方案二 采用电容滤波电路，因其适用小电流负载，而且外特性比较软，结构简单， 因而常常被采用。 所以在本设计种采用电容滤波电路。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -5- 2.1.3 取样电路的选择方案和论证 方案一 直接采用非门电容、电阻、电位器和二极管组成的采样电路虽然是最简单 的采样电路，但是它所用元器件比较多，电路比较复杂，调节电路也比较麻烦。 方案二 采用由比较器组成的差分比较电路电路结构简单，方便调试，克服了方案 一采样电路的缺点。 所以本设计中采用差分比较电路。 2.1.4 延时电路的选择方案和论证 方案一 采用由 555 定时器构成的施密特触发器，具有很稳定的延时作用，精度也 比较高。很适合用做延时器件。但是本设计中由于采用了差分比较电路，而且 每部分延时都要用 led 灯显示出来，用 555 定时器会在硬件连接上很有困难。 方案二 采用最简单的 rc 延时电路，有很大的灵活性，电路简单，原理容易理解。 而且能够克服方案一中所提到的不足。 所以本设计中 rc 延时电路。 2.2 电路设计最终方案确定 根据上面的分析，我们设计的硬件系统的总体结构框图如图 2-1 所示。 2.2.1 方框原理图 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -6- 门限电压基准电压 过 压 取 样 滞 回 比 较 器 瞬时断电保护 电 压 比 较 器 反 相 器 控 制 门 图 2-1 硬件系统的总体结构框图 2.2.2 方框图的工作原理 1、总体的设计思路 保护电路通过对所供电设备电压进行取样检测，如电压出现过压、欠压现 象时(过压、欠压值可根据所需设定)，保护电路内部执行继电器延时，释放(保 滞 回 比 较 滤 波 电 路 稳 压 电 路 整 流 电 路 电 源 变 压 器 欠 压 取 样 冰箱电 源插座 漏电显示 电路 控 制 门 驱动 电路 继电器 k 电 冰 箱 延时 通电 保护 电压 比较 （2 ） 基准 电压 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -7- 护电路在正常工作时无过压、欠压情况下内部执行继电器呈吸合状态)，从而 达到对用电设备的保护。外加功能是能将现象由 led 发光管显示出来。用来 引起人们的注意。 2、电路框图各部分功能与作用 (1) 电源电路。主要由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成,功能 是把输入电压转化成电路所需要的标准电压。 (2) 漏电显示电路。此部分主要实现当电冰箱外壳带电时，是发光二极管 显示报警功能。 (3) 采样电路。此部分由滑动变阻器组成，功能是实现过压采样和欠压采 样。 (4) 反相器。由非门组成，其功能是是实现电压反相。 (5) 滞回比较器。滞回比较器又称施密特触发器，此部分电路采用集成运 放和电阻构成,其功能是用来检测电源的过压和欠压，提高抗干扰能力，因此当 电网电压在上限电压或下限电压附近波动时，电冰箱的电源不至于频繁的通、 断电。 (6) 控制门电路。整个电路有主要有两个控制门电路,由与门和非门构成。 既可整流又可电平保护。 (7) 瞬间断电保护电路。主要是延时电路由电阻和电容并联构成，使电冰 箱保护器具有瞬间断电保护，瞬间超压保护，瞬间欠压保护的能力。 (8) 电压比较器。主要由运算电路组成，用于比较两端的电压。 (9) 驱动电路。主要由二极管、三极管和继电器组成。用于实现电冰箱的 通断电。 (10) 延时通电保护。此电路主要由电压比较器，延时电路，基准电压构成。其功能 是实现 3 分钟延时。 本章小结 本章的主要内容是设计方案的选择，把电路分成几部分来分别讨论，已达 到简化电路的目的。通过多方面的比较选出合理的方案。在选择中注意方式方 法，针对不同的模块选择的标准是不同的。通过方案选择最终确定电路的整体 思路，将分立的各个模块综合在一起最后得到整体电路。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -8- 第 3 章 系统单元电路的设计与分析 3.1 整流电路 由于各种电器设备内部均是由不同种类的电子电路组成，电子电路正常工 作需要直流电源，而电网供给用户的是 50hz 的交流电，所以需要利用具有单 向导电特性的半导体器件把交变的电流转化为直流电。提供直流电的设备称为 直流稳压电源。直流稳压电源可以交流输入电压变成稳定不变的直流电压。 3.1.1 单相桥式整流电路 桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二管 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，将交流电变换成一个方向流动的 电流，让交流电的正半周到来时顺利通过二极管，当交流电的负半周到来时二 极管反向截止，则不能通过，如此循环，就形成一个方向电流。如图 3-1 所示： d1 t r1 d2d3 d4 u0 + - + _ u2 图 3-1 桥式整流电路 桥式整流的工作原理如下： 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，根据图所示 可知；当正半周时，对加正向电压，二极管导通，在负载电阻上得到正弦波的 正半周；当负半周时，二极管加反向电压，管导通，在负载电阻上得到正弦波 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -9- 的负半周。但是无论在正半周还是负半周，流过 r1 中的电流方向都是一致的， 在整个周期内，四只二极管轮流导通和截止，在负载上得到了单一方向的脉动 直流电压和电流。 3.1.2 主要性能指标 整流电路的性能指标常用两个技术指标来衡量：一个是反映转换关系的， 用整流输出电压的平均值来表示；另一个是用输出的平均电流来表示。 3.2 滤波电路 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,或是与负载串联电感器 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形成分尽可能地减小， 改造成接近恒稳的直流电，使其更接近于直流。本设计采用单相桥式整流电容 滤波电路，电路如图 3-2 所示： d1 t r1 d2d3 d4 u0 + - + _ u2 c1 + _ uc 图 3-2 滤波电路 电路工作原理如下： 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 经过二极管 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 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -10- uc=u2。u2 达到最大值以后，按正弦规律下降，当 u1uc 时，d1，d3 的正 极点低于负极电位，所以 d1，d3 截止，电容只能通过负载 rlc 放电，放电 时间常数越大，放电就越慢，u0 的波形就越平滑。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 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止，电容 又通过负载 rl 放电，如此周而复始，就可以在负载上得到的脉动直流成分大 大减小的直流电压。 电容滤波具有几个特点：输出电压提高，脉动成分减小，二极管导通时间 大大减小。 3.3 稳压电路 3.3.1 稳压二极管 稳压二极管又叫齐纳二极管，此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都 具有很高电阻的半导体器件。在这个临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小 的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管时根据击穿 电压来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用， 稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更多的 稳压电路。如图 3-3 所示： d1 t r1 d2d3 d4 + _ u2 c1 + _ uc vz 图 3-3 稳压管稳压电路 根据稳压二极管的特性可以在 u 端得到稳定的电压，既是稳压二极管的反 向击穿电压。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -11- 3.3.2 7809 稳压器 7809 系列为 3 端正稳压电路,to-220 封装，能提供多种固定的输出电压， 应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达 1a。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。7809 的引脚图如图 3-4 所示： 图 3-4 7809 引脚图 3.4 电压取样鉴别电路 该电路主要由比较器、与非门、滑动变阻器、电容和二极管组成。 该部分电路的主要功能是当接通电源时，电网电压在正常工作状态，正常的电 网电压经取样电阻分压后，触发器保持初始“1”状态，继电器 k 仍不吸合，其 常闭触点仍闭合，电冰箱得以继续工作。 当电网电压240v 或180v 时，由于电网电压升高或降低，使直流取样 电压也相应升高或降低，因而使向比较器提供驱动信号，通过比较器比较，把 信号输送给后面的电路，最后使继电器触点动作，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 3 分钟才能 通电。差分取样电路如图 3-5 所示： 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -12- 图 3-5 差分取样电路图 3.5 驱动电路 电路中 r1、t1、d1、j 组成驱动电路。电路如图 3-6 所示： 图 3-6 晶体管驱动电路 工作原理：npn 晶体管驱动时：当晶体管 t1 基极被输入高电平时，晶体 管饱和，集电极变为低电平，因此继电器线圈通电，触点 rl1 吸合。 当晶体管 t1 基极被输入低电平时，晶体管截止，继电器线圈断电，触点 rl1 断开。 电路中元器件作用：晶体管 t1 可视为控制开关，电阻 r1 主要起限流作 用，降低晶体管 t1 功耗，电阻 r2 使晶体管 t1 可靠截止，二极管 d1 反向续 流，抑制浪涌。 继电器是指当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，使被控制 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -13- 的输出电路导通或断开的电器。可分为电气量 (如电流、电压、频率、功率等 )继 电器及非电气量(如温度、压力、速度等)继电器两大类。具有动作快、工作 稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于 电力保护、自动化、运动、 遥控、测量和通信等装置中。 继电器如图 3-7 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”、 “段”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，执行机构便工作，从而接通或断开电路。本设计 采用的是 jzc-22f2,它的优点是超小型、重量轻、线圈损耗功能低。 图 3-7 继电器原理图 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值时，可以按触 点组的不同形式，同时换接、开段、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。 3. 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时，经 过比较综合，达到预定的控制效果。 4. 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，从而实现自动化运动。 3.6 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 由电阻和电容组成最简单的 rc 延时电路。延时时间由 r 与 c 数值决定。电路 如图 3-8 所示： 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -14- r1 u1 c u0 图 3-8 延时电路 另外，本设计采用单稳态触发器作为 3 分钟延时电路。如图 3-9 所示，电 阻 r1、r2 组成分压电路，为运放 a1 负输入端提供偏置电压 u1，作为比较电 压基准。静态时，电容 c1 充电完毕，运放 a1 正输入端电压 u2 等于电源电压 v+，故 a1 输出高电平。当输入电压 ui 变为低电平时，二极管 d1 导通，电容 c1 通过 d1 迅速放电，使 u2 突然 降至地电平，此时因为 u1u2，故运放 a1 输出低电平。当输入电压变高时，二极管 d1 截止，电源电压 r3 给电容 c1 充 电，当 c1 上充电电压大于 u1 时，既 u2u1，a1 输出又变为高电平，从而 结束了一次单稳触发。显然，提高 u1 或增大 r2、c1 的数值，都会使单稳延 时时间增长，反之则缩短。 图 3-9 单稳态延时电路 本章小结 本章主要介绍了单元电路的设计，整流电路及其单相整流电路，滤波电路 及其电容滤波电路，稳压电路及其稳压管稳压电路和 7809 稳压器的应用，电 压取样鉴别电路及其局部电路图，驱动电路及其继电器工作原理的介绍，延时 电路及其工作原理。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -15- 第 4 章 整机工作原理 4.1 过压、欠压、断电运行状态分析 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 175235v 范围内才能保证电冰箱的正常启动和运行。为什 么要对电冰箱的电源条件做出规定呢？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，启动电流常可达到额定工作电流的三至七倍。在供电紧张地区或用电 高峰时间里，电网电压会变得很低，但有时候，电网电压又会变得很高。 如果在电源电压低于允许的下限值的情况下启动，会因启动转矩不足，造 成电动机启动困难，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。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 压缩机绕组的烧毁。当电源电压高于允许的上限值的情况下启动时，电动机绕 组因电流过载也同样会出现发热而破坏绝缘的现象，对压缩机的寿命都是有害 的，严重时也会烧毁电动机。 过压、欠压保护器就是应运而生的一种辅助性电器。当电网出现欠压或过 压时，应用敏感于电网电压的基本特性，过压欠压保护器及时将电冰箱的电源 切断，以保护电冰箱免受非常规电压的破坏。 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，确保了压缩机在轻载状态下起动； 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。 电冰箱在出售时，生产厂家一般都不配备断电保护器，市场上销售的断电 保护器，一般也都不具备智能延迟作用。一般的断电保护器，在电冰箱停电后 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -16- 复电，不管停电时间多久，它都要延迟 3 分钟左右才能接通电源，显得非常机 械，人们希望在刚刚断电的最近 3 分钟之内能对电冰箱进行保护，不允许通电， 而 3 分钟之后，则要求一旦来电压缩机能马上通电起动运转，以便在电冰箱室 内的温度下降的最短时间内恢复制冷，既能保证食物不至于变质，又可节约电 能。 4.2 整机工作原理分析 1. 未接通电源之前 因瞬间，v6 未导通时，j 失电，j-1 常闭，j-2、j-3 常开，冰箱尚未起动。 c5、c7 也尚未充电。 2. 若网电压正常范围（180240）v 时接通电源 由于调试时要保证：电压 u240v 和 u180v 时，u1:a 的 a 电为高电平。 u1:b 的 b 电为低电平,u2:a 的 c 点为低电平，因此过压指示 led1 和欠压指 示 led2 均不亮。这时 u2:a 输出“0”，u2:b 输出“1”，很快对 c5 充电至高点 平，u1:c 输出“1”，u2:c 输出“0”，由于刚合闸时 j-1 闭合，且 d1:d 输出未 “0”，故 u3:b 输出“0”，延时灯 led3 不亮。u2:d 输出“1”，一方面 v6 导通， 工作指示灯 led4 亮（用绿色） ，j 得电，j-1 断开，j-2、j-3 闭合，电冰箱正常 工作。另一方面 v7 导通，通过 r13 对 c7 充电至高电平,但因 j-1 断开仍由 r5 保证 u3:b 输入为“0”。 3若电网电压240v 或180v 这时 u1:a 的 a 点由“1”跳为“0”（过压）或 u1:b 的 b 点由“0”跳为“1” （欠压） ，这时都会使 u3:a 输出为“1”，且 led1 亮（过压，用红灯）或 led2 亮（欠压用黄灯） ，u2:b 输出为“0”，电容 c5 通过 r8,r9 及 u2:b 的输出电阻 放电，当放到一定程度时，运放 u1:c 的输出为“0”,u3:b 输出为“1”，延时指示 灯 led3 亮（用蓝色） ，且 v6 截止，工作灯 led4 灭，j 失电，使 j-1 闭合，j- 2、j-3 断开，电冰箱停止工作。 4断电后恢复正常供电时的延时保护 电路中设有两处延时保护电路，一处 r8、c5 是组成的瞬时断电保护，一 处 r14、c7 是组成的延时通电 3 分钟保护。其过程如下：不论是因过欠压还 是停电，这时 v6 截止,j-1 闭合，j-2、j-3 断开，c5、c7 均处于放电，c7 放电 时间常数约 200s。如果停电时间很短（小于 20ms） ，尽管 v6 载止，j 失电,但 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -17- 因常闭头有延时闭合功能(1520ms)，这时 j-1 尚未闭合(j-2、j-3 可以断开)， u3:b 一个输入端仍为“0”，又因 c5 电压不能突变， （即使稍微降一点，只要不 低于 u1:c 的 u-即可）这时 uc5 仍大于 u-，u1:c 输出仍维持“1”状态。在 20ms 之内若又恢复正常供电，u3:b 输出“0”，u2:d 输出为“1”，v6 导通，j- 2、j-3 闭合，冰箱立即供电。因此，在 20ms 之内，即使冰箱正常工作瞬间不 会停（电动机有惯性） ，防止瞬间频繁启动损坏压缩机。若停电超过 20ms，虽 然 c5 很快充电至饱和，u1:c 输出为“1”，但因 c7 放电很慢，虽然只有 3 分钟 之后，u1:d 同相端电压才能低于 v4 管压降 0.7v，这时 u1:c 的输出才变为 “0”,使输出“0”，led3 灭，v6 导通。20ms 后若不来电，c5 放电,使 u1:c 输出 为“0”，v6 是截止的，j-1 断开，j-2、j-3 闭合，电冰箱才恢复正常工作状态。 从而起到延时通电保护作用，使压缩机不损坏。 （整机工作原理图见附录 4） 4.3 电路各元器件的作用 1. 电源变压器 t 二极管 v1、v2 组成全波整流电路，c 为电容滤波。 w7809 是三端稳压器，输出+9v 电压。c2、c3 为 7809 的输入、输出电容。 c2 是防止因输入线过长产生电感效应而产生自激震荡，c3 为改善瞬态响应， c4 电容滤波，使电压平滑。 2. u1:a、u1:b 分别组成反相器、滞回比较器。主要是提高抗干扰能力。 当电网电压在上限 240v 左右或 180v 左右波动时，c 点和 b 点的电平不会频 繁的在高、低电平间改变而引起冰箱频繁地通、断电。r1、r2 为电压取样电 阻，通过调 r1、r2 保证两个比较器对应 240v 和 180v,a 点和 b 点发生转换。 r3 和 vz 组成稳压电路，由 vz 提供两个比较器同相端的基准电压作为与反相 端电压比较的基准。 3. u1:c 组成电压比较器。r21 为反相端基准电压，u2:b 输出的电压与从 r21 取出的电压比较，决定了 u1:c 输出的电平高低。调 r21 使冰箱正常工作 时，反相端电压刚刚稍小于同相端电压即可。u3:a、u2:b 为控制门，既可整 形又可电平转换。 4.r6、v6、v5、j 组成驱动电路。v6 工作在开关状态，控制 j 的得电 和失电。v5 为整流二极管，当 v6 由导通变截止时，为 j 中电流提供通路，防 止 j 线圈产生高自感电势损坏三极管。 5. u2:c、u3:b、u2:d 组成门控制电路，起控制和电平转换作用。v7 是 电子开关，控制 c7 的充放电，r13 为限流电阻。同时又阻止 c7 通过 r13 放 电。因为当 v6 截止，到 j-2 断开有 15ms 间隔，c7 会通过 r13、r15 放电。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -18- 6. ud:d 为电压比较器。+9v、r18、v4 组成反相端基准电压电路，以便 与同相端电压比较。 7. r8、r9、c5 组成瞬间断电保护电路；c7、r14 组成延时通电保护电 路。调 r21 可适当改变延时长短。例如，调 r21，改变 u1:c 的反相端电压 u- 大小，要保证当瞬间停电时，c5 放电时间在（1520ms）内，u1:d 不小于 u-，那么输出就能维持“1”状态，一旦通电 v6 即可导通，冰箱又正常工作。 8. r22、r19、v3、c6、r20、led5 组成冰箱漏电指示电路。当冰箱外 壳带电时，交流电流通过 r22、r19 到地，r19 上分的电压，经 v3 整流，c6 滤波，由显示电路 led5 显示。 4.4 各元器件的选择与计算 1. lm324 是四运放集成电路，内部结构如图 4-1，它采用 14 脚双列直插 塑料封装，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四 组运放相互独立。每一组运算放大器可如图所示的符号来表示，它有 5 个引出 脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“v+”、“v-”为正、负电源端，“vo”为输 出端。两个信号输入端中，vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端 vo 的信 号与该输入端的位相反；vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 vo 的信号 与该输入端的相位相同。lm324 的引脚排列见图 4-2。由于 lm324 四运放电 路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此 被广泛应用在各种电路中。 图 4-1 lm324 内部结构图 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -19- 图 4-2 lm324 引脚图 u2 选用 cd4069 六反相器，采用 14 脚双列直插塑料封装，它的内部包含 六组形式完全相同的反相器，除电源共用外，六组反相器相互独立。引脚图如 图 4-3 所示： 图 4-3 cd4069 引脚图 u3 选用 cd4071 二输入四或门，同样采用 14 脚双列直插塑料封装，它的 内部包含四组形式完全相同的或门，除电源共用外，四组或门相互独立工作。 引脚图如图 4-4 所示： 图 4-4 cd4071 引脚图 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -20- cd4071 真值表如下：y=a+b 表 4-1 cd4071 真值表 aby 000 011 100 111 2. v6 选用 9013 或 3dg6,80，npn 管；v1v7 选用 in4004；led1led5 选用 3mm。led1 红色,led2 黄色,led3 蓝色,led4 绿 色,led5 橙色。 3. 继电器 j 选用 3a/9v 的直流继电器，一个常闭，两个常开触点。 4. 电源变压器选用 220v/12v-3w。 5. 稳压器 vz 选用 2cw105（7v）。 6. 电解电容：c1 一般选用 2200uf/25v；c4 为 220uf/25v；c5、c6、c7 选用 100uf/25v。非电解电容：c2 选用 0.33uf；c3 选用 0.1uf。 7. 电位器：r1、r2、r21 选用 15k/2w 电位器。 8. led 的限流电阻 r6、r7、r12、r15、r20 算法如下：设发光管 ud=2v,id=5ma，cmos 门输出高电平 uh=9v, r=(uh-ud)/id=(9-2)v/5v=1.4k/0.25w r3=(9-7)k/10k=0.2k,选用 200/0.25w。 9. vz 的限流电阻 r3：取 iz=10ma, r3=(9-7)k/10k=0.2k,选用 200/0.25w。 10. r4、r10 选用 200/0.25w；r5、r11 选用 200/0.25w。 11. r18:设二极管 v4 中电流 id=1ma,r18=(9-0.7)/1=8.3k/0.25w。 12. r13/r14 的选用：r13 主要是为 vd 提供充电通路，当 c7 充到饱和时 即使 v7 截止也无妨。设电流为 1ma，当为初始值 0v 时， r13=uh/id=9v/1 取 10k/0.25w。r14 要求 c7 放电 200s，即 35 分钟。r14c7=200s, 取 4 倍则 r14c7=50s,由于 c7 选 100uf,故 r14=500k。 13. r16 的选择： 设 v6 基极电流 ib=0.8ma, r16=(uh-ube)/ib=(9-0.7)/0.810k 故选 10k/0.25w。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -21- 14. r8、r9 的选择：r8 是的放电电阻（c5 通过 r8、r9 输出电阻放电）， r8 只要能维持 c5 时，在 20ms 之内，uc5 不小于 u1:c 反相端电压 u-即可。 可选 r8=1k/0.25w。r9 的作用是停电时，u2:b 截止，也为 c5 提供放电通 路，使恢复初始状态。r9 可选 10k/0.25w。 15. 漏电显示电路中的电路 r9、r22:为了使 led 显示电路统一起见，r20 与 led5 两端电压也按高电平 9v 设计，由于 v3 为半波整流，c6 滤波，为此 v3 的输入交流电压有效值即 r19 两端电压应近似为 9v。选 r22=10k/0.25w，根据 220v(r19/r22+r19)，从而可选 r19 为 1k/0.25w。 本章小结 本章小结主要介绍了整机原理图，整机工作原理的说明，电路中各元器件 的作用，最后分析了如何选择该电路原件，例如：与非门、电阻、电容等等。 根据本设计的要求和元器件的特性对各元件进行计算，选择它们的数值。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -22- 第 5 章 系统的安装与调试 5.1 系统的安装 5.1.1 辨认与测量元器件 学会了怎样利用色环来读电阻，然后用万用表来验证读数和实际情况是 否一致，再将电阻别在纸上，标上数据，以提高下一步的焊接速度 。 学会了怎样测量二极管及怎样辨认二极管的 “+”，“-”极。 学会了怎样利用万用表测量三极管的放大倍数，怎样辨认三极管的 “b”, “e”,“c”的三个管脚。 学会了电容的辨认及读数， “”表示瓷片电容，不分“+”、“-”极；“ +”表示电解电容（注意：电解电容的长脚为 “+”，短脚为“-”）。 5.1.2 焊接体会 焊接最需要注意的是焊接的温度和时间，焊接时要使电烙铁的温度高于 焊锡，但是不能太高，以烙铁接头的松香刚刚冒烟为好，焊接的时间不能太 短，因为那样焊点的温度太低，焊点融化不充分，焊点粗糙容易造成虚焊， 而焊接时间长，焊锡容易流淌，使元件过热，容易损坏，还容易将印刷电路 板烫坏，或者造成焊接短路现象。在焊接前要检查好元器件是否完好并布置 好元件位置，要注意焊接顺序，焊接时对照电路图防止焊错。 5.2 电路的调试 按照电路原理图所示的电路结构与元器件实际尺寸，设计印制电路板， 并装焊好元器件。调试时，首先在输入端加 240 的交流电，调整电位器 r2，使 a 点的电位正好从高电平变为低电平。然后在输入端加 178 的交流 电，使 b 点电位正好从低电平变为高电平，调整 r21 能适当改变延时的长 短。二极管 v7 的作用阻止 c7 通过 r13 放电，因为继电器 j 失电到触点 j-2 断开的时间约 15ms。如果设有 v7，在这 15ms 时间里，电容器 c7 将通过 r13、r15 等很快放电，不能起到二次延时保护作用。 v5 是继电器线圈的续 流二极管。另外，r22、r19 二极管 v3 组成了漏电显示电路，当电冰箱外壳 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -23- 带电时，泄露电流经 r22、r19、v3 和 c6 电路，使发光二极管 led5 显示 报警。 当整个电路调整好后，从 led1 指示灯超压、led2 指示欠压、led3 指示延时、led4 指示工作和 led5 指示漏电的各种状态，就可知道输入电 压与电冰箱工作的基本情况。 5.3 调试中的问题 把调压器的输出调在 220v，测量图中 a 点电压 ua 应在 12v 左右，若 偏差较大，可改变电阻 r1 和电容 c1 的数值，但 r1 和 c1 不能调的太大， 如果它们的时间常数太大，将会使保护器工作时的动作过分迟缓，不能起到 保护作用；r1，c1 的值亦不可调的过小，以免保护器受电网电压中干扰脉 冲的影响产生误动作。 超压、欠压点的调试中，在转动变阻器的过程中容易记不住转了多少圈， 而且当欠压点调好时，再次调过压点会发现欠压点也会改变，所以说调欠压、 过压的门槛很有难度，需要大量的精力和耐心。在调延时的时间上，也很困 难，需要调几圈就计时，防止错过延时的精确时间。即使各个指标都已调好， 也要过一段时间就检查，防止不稳定。 总体来说，调试部分至关重要，即使电路搭接完整，但是指标调试不出 来也会功亏一篑。在调试中会遇到各种各样的问题，例如芯片烧毁、短路、 断路、虚焊都会造成调试的难度。另外每个试验台的电压都各不相同，当换 电源时，应注意稍微调整过欠压点。 5.4 使用 cmos 芯片注意事项 1、电