家用电器自动限电保护器的设计

1、xxxx学院毕 业 论 文 （设 计）题目：家用电器自动限电保护器的设计学生姓名学 号专 业班 级指导教师学 部答辩日期家用电器自动限电保护器的设计摘要随着家用电器的增多，电功率不断的增大，家庭的用电安全和节约用电，也变得越来越重要。本装置对家庭用电情况实施监控，限制住户的用电功率表，当超过额定的用电功率时，电路自动断电，并发出警告声，功率值恢复正常值时电路继续供电。目的通过限制大功率电器的频繁使用，达到节约用电和防止电路加速老化的目的。限电器的数码管具有显示其当前的电源，电压和功率值得功能。与同类产品相比较，本设计利用模元电器件弥补了同类产品元器件的不足，稳定性差的缺点,同时本设计所采用的元

2、器件的成本也比较低。本论文详细地阐述了家用电器自动限电保护器电路的组成和工作原理以及硬件电路与印制电路板的设计，对其实物制作与调试进行了较为详细地描述。关键词：电网电压；自动限电；数码管关键词与摘要内容隔行书写，词条用小四号宋体字，词条间用分号（；）隔开，3-5个关键词Household appliances power brownouts protector design automaticallyAbstractWith the increase of housekeeping electric equipment,electric power constantly increased,t

3、he house electric security and the savings of electricity has also become more and more important.This device can monitor the situation of the househood,limit the electricity power of house usedm,when it exceed the nominal power,the electric circuit will be cut automatically,and issued a warning sou

4、nd,power recover when the circuit below the limited power suppiy.By limited the use of high-power electrical frequency to conserve electricity and to prevent accelerated aging of the purpose of the circuit.Thin equipment can display its current voltage and power values of the function.Compared with

5、similar products,this equipment designed use of Module and electrical components to make up less of precision components,the shortcomings of stability,at the same times,the design USES the components of the cost is low.Household appliances are reviewed in detail this paper automatic electricity prot

6、ector circuit composition and work principle and hardware circuit and PCB design,the physical production and debugging are discussed in detail. Keywords: grid voltage; automatic power brownouts; display小提示：当需要从网站或者文档复制到本文档时，先将文字复制到文本文档，然后再从文本文档复制到本文档的相应位置，这样就能够保证格式是正确的！此行不会被打印千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。(在

7、word菜单-工具-选项-视图标签中，格式标记部分请全部打对号，这样就可以看到隐藏的分节符和空格等信息了)-III-目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题的目的和意义11.3 设计任务与要求2第2章 方案论证32.1 核心方案的选择32.1.1 电压取样鉴别单元的设计32.1.2 驱动单元的设计32.1.3 直流电源的设计32.2 家用电器自动限电保护器的方框图42.3 本章小结4第3章 单元电路的设计53.1 电压取样鉴别电路的设计53.1.1 CMOS与非门电路53.1.2 电压取样鉴别电路及其工作原理63.2 基本RS触发器的设计73.2.1 电路组成

8、及逻辑符号73.2.2 基本RS触发器工作原理83.3 延时电路的设计93.3.1 555定时器的外部管脚及电路结构93.3.2 555电路的工作原理113.3.3 555定时器构成的单稳态触发器及其工作原理123.4 驱动单元的设计133.5 直流电源的设计143.5.1 电源变压器143.5.2 整流电路153.5.3 滤波电路153.5.4 稳压电路163.5.5 直流电源电路设计及工作原理183.6 本章小结19第4章 整机电路及工作原理204.1 整机电路原理图204.2 整机电路的工作原理204.3 本章小结21第5章 电路的安装与调试235.1 电路元器件选择与计算235.1.1

9、 与非门的选择235.1.2 电压取样鉴别单元阻容元件的选择235.1.3 延时电路元件的选择245.1.4 驱动单元元器件选择和计算245.1.5 直流稳压电源元器件的选择和计算255.2 安装步骤265.3 整机调试275.4 调试中的问题及解决方法285.5 本章小结29结论30参考文献31附录32致谢36千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”家用电器自动限电保护器的设计第1章 绪论1.1 课题背景 改革开放三十年以来，随着我国科学技术水平的迅猛发展，人民生活水平的不断提高，家用电器也已由高级消费品逐步转化为人们的生活必需品,普及到家庭的

10、衣、食、住、行的各个方面，尤其是近年来我国大力推广家电下乡政策，电视、洗衣机、电冰箱已基本普及到了农村的家家户户。家用电器的增多使人民生活日益舒适便利的同时，也对我国的供电设施提出了更高的要求。尤其在农村地区家庭用电量急剧增加，而供电设施相对滞后，有时会造成家中的电压不稳，致使许多家用电器无法正常工作，甚至发生烧毁电器、引起火灾等恶性事故。为确保家庭用电安全，家中供电电压不稳时，可采取以下措施解决：1、避免大功率电器同时使用。现在家用电器很多，同时使用难免会过负荷，过负荷带来的直接后果就是电流过大，导致电线压降过大，用户电压过低，电线发热，严重过负荷会引起熔丝的断开或者空气开关的自动跳闸，导致

11、家中突然断电，严重的会引起火灾。因此，应注意大功率电器尽量不要同时使用，特别是用电高峰时段，大功率电器一定要错开用1。2、选用节能型家用电器。选购节能型的家用电器，节能降耗。例如，在保证照明质量前提下，优先选用光效高、显色性好、安全高效的灯具。一般照明应选用紧凑型荧光灯。电视机、电冰箱、空调等也应选用节能型的产品。3、购买使用稳压器。若家中供电电压经常不在家用电器允许的电压范围之内，就应购买使用稳压器。例如，供电电压经常低于187伏时，就应为电动类家用电器配用稳压器，否则在使用过程中极容易损坏家用电器。1.2 课题的目的和意义随着家用电器不断增多，人们在使用电器时既需要安装漏电开关及过载保护装

12、置，又需要使用电冰箱、电视机等各种保护器，显得比较繁琐且不经济，使用该保护器可避免这一弊端。该保护器能按照保护需要自动断电和自动复位供电，方便实用。家用电器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。从目前我国供电情况来看，供电电压还不太稳定，而且局部断电时有发生，所以家电自动限电保护器具有重要的实用价值。该保护器的功能是：当电网电压过压或欠压情况下，使家用电器的供电系统停止供电，当电网电压恢复正常后使家用电器自动恢复供电；当家电正在工作时，一旦电源断电而又立即供电时，本设计要使家用电器必须断电35min后才能恢复供电。1.3 设计任务与要求1、设计一台家用电器保

13、护器，当电网电压250V或170V时，能自动切断电源。2、当电网电压恢复正常后35min自动接通电源。3、体积小、外形美观。第2章 方案论证2.1 核心方案的选择根据设计任务及要求，所设计的家电自动限电保护器的基本思想为：电网电压在正常范围时，保护器不影响家电的正常工作，而一旦电网电压250V或170V时，保护器应立即切断用电器电源。正在工作的家用电器一旦断电又恢复供电时，保护器应延时35min后再给家电接通电源。为此，本电路主要由以下几部分组成：电压取样鉴别单元、延时电路、驱动单元、直流供电电源等。其主体方案示意图如图2-1所示。下面详细地介绍系统各部分的组成及方案论证2。电压取样鉴别单元延

14、时电路驱动单元直流电源图2-1 方案示意图2.1.1 电压取样鉴别单元的设计本设计要求保护器能够对电网电压进行实时的监控，检测出电网电压的过、欠压异常，并根据电压的异常与否输出相应的控制信号。该部分电路功能可由电压取样鉴别电路和产生控制信号的具有记忆功能的触发器组成。2.1.2 驱动单元的设计驱动单元主要实现对负载供电线路通断状态的控制。在本设计中驱动单元主要由直流继电器和该继电器的驱动电路组成。2.1.3 直流电源的设计本设计要求保护器在过、欠压状态下均能够正常的工作，因此保护器自身的供电电源必须平稳可靠。可采用串联式直流稳压电源。由于驱动电路与触发器所用供电电压的不同，该直流电源有两路稳压

15、电路输出不同稳压值的电压，该电源的基本组成为电源变压器，桥式整流，电容滤波和稳压电路I和稳压电路。2.2 家用电器自动限电保护器的方框图电压取样鉴别电路基本RS触发器驱 动电 路延 时电 路直 流继电器负 载桥 式整 流稳 压电路I 电 容滤 波稳 压电路 电 源变压器图2-2 家用电器自动限电保护器方块图通过对本设计具体要求的分析和对各部分电路实现方案的考虑。家用电器自动限电保护器的电路方框图如图2-2所示。2.3 本章小结本章介绍了家用电器自动限电保护器的设计思路、方案选择和最终确定的系统方框图。本设计单元结构明确，条理清晰，给后续安装和调试工作带来了极大的方便。注意：除第一章绪论外，其他

16、每一章都应该有一个本章小结第3章 单元电路的设计3.1 电压取样鉴别电路的设计电压取样鉴别电路：该部分电路的主要功能是当电网电压250V和170V时，向驱动单元提供驱动信号，使继电器触电动作，家用电器断电；当电网恢复供电时，为延时电路输入一个脉冲下降沿，以便延时电路工作，使用电器经35min才能通电。3.1.1 CMOS与非门电路1.电路组成及符号图3-1所示是CMOS与非门的电路结构和符号。在图3-1（a）中，两个P沟道增强型MOS管TP1、TP2并联，两个N沟道增强型MOS管TP1、TP2串联，TP2、TN2的栅极连接起来成为输入端A，TP1、TN1的栅极连接起来是输入端B。图3-1（b）

17、所示是与非门的逻辑符号3。TN1TN2TP1TP2VDDFAB（a）电路图 （b）逻辑符号图3-1 CMOS与非门2.工作原理在图3-1（a）中，A、B两点电压只要有一个为低电平0V，TN1、TN2中就总有一个截止，TP1、TP2中就总有一个导通，因此Y电输出一定为高点平（电源电压）；只有当A、B两点电压同时为高电平时，TN1、TN2才会都导通，TP1、TP2才会都截止，Y点才会为低电平0V。综上所述，可得如表3-1所示真值表。表 3-1 与非门逻辑真值表ABY001011101110由表3-1可看出与非门的逻辑功能是：当输入端中有一个或一个以上是低电平时，输出端为高电平；只有当输入端全部为高

18、电平时，输出端才是低电平（即有“0”得“1”，全为“1”得“0”。）。其逻辑表达式为： （3-1）3.1.2 电压取样鉴别电路及其工作原理该单元电路由与非门G1G3、电容C1C3、电阻R1R8、电位器RP1和RP2、二极管VD1组成，具体电路如图3-2所示。具体电路工作原理如下4：图3-2 电压取样鉴别电路1.当市网电压正常时电源接通之后,正常的220V电压经电阻R1，R2和R3分压后, R2由两端取出约40V的交流电压,经VD1半波整流再经C1、C2及R4滤波后成为直流取样电压,使图中UA=(1013) V, UB<UTH1 (与非门G1的转折电压，对于CMOS门，阈值电压约等于直流电

19、源电压的一半，即UTH1=0.5VDD), UC>UTH2(与非门G2的转折电压)，故门G1输出“1”电平，门G2输出“0”电平，该信号作为控制信号送往延时电路，此信号使延时电路不动作。门G3输出 “1”电平，该信号作为基本RS触发器的控制脉冲改变其状态 。2. 当市网电压250V或170V时由于电网电压升高，使直流取样电压也相应升高。因而使UBUTH1,UCUTH2故门G1输出为“0”电平，门G2输出为“1”电平，门G3输出“0”电平；由于电网电压降低，使直流取样电压相应降低，因而使UCUTH1（这时UB<UTH1）,使门G2输出“1”电平，门G3输出为“0”电平。当市网电压当市

20、网电压250V或170V时，门G2输出由“0”电平翻转为“1”电平，该脉冲下降沿作为延时电路的触发信号，使延时电路工作。门G3输出为“0”电平，该信号与延时电路输出的信号一起控制基本RS触发器的状态，启动断电保护。3.2 基本RS触发器的设计该部分电路受电压取样鉴别电路的控制，主要用于记忆和产生控制信号送给驱动电路。3.2.1 电路组成及逻辑符号图3-3（a）所示是用两个与非门交叉连接起来构成的基本RS触发器。、是信号输入端，低电平有效，Q和是两个互补的信号输出端。图3-3（b）所示是基本RS触发器的逻辑符号。 (a) 逻辑电路图 (b) 逻辑符号图3-3 由与非门构成的基本RS触发器3.2.

21、2 基本RS触发器工作原理当D =1、D =0时，触发器将变成11.电路有两个稳定状态电路无输入信号即D =D =1时，有两个稳定状态。(1)0状态当Q=0、=1的状态定义为0状态。由于Q=0送到了与非门G2的输入端，使之截至，保证=1，而=1和D =1一起使与非门G1导通，维持Q=0，显然电路的这种状态可以自己保持，是稳定的。(2)1状态 当Q=1、=0的状态定义为1状态。由于=0送到了与非门G1的输入端，使之截至，保证Q=1，而=0和D =1一起使与非门G2导通，维持=0，显然电路的这种状态也可以自己保持，是稳定的。2.电路接收输入信号过程(1)接收置1信号过程状态，即将有Q=1、=0.当

22、D =1、D =0时，如果触发器原来是处在0状态，则根据与非门的逻辑特性（有0出1，全1出0），可以肯定G1输出为高电平、门G2输出为低电平，即有Q=1、=0；如果触发器原来就处在1 状态，则仍保持1状态，即仍有Q=1、=0。(2)接收置0信号过程当D =1、D =0时，触发器将变成1状态，即将有Q=1、=0.当D =1、D =0时，如果触发器原来是处在0状态，则仍保持0状态不变即，Q=0，=1的状态不会变；如果触发器原来是处在1状态，则根据与非门的逻辑特性，肯定门G2输出将为高电平，即=1，而=1和D =1又会导致门G1输出为低电平，即Q=0。由基本RS触发器的工作原理分析，可以很容易的列出

23、表3-2，该基本RS触发器的特性表直观的反映了基本RS 触发器两输入信号R和S与触发器接收信号之前所处的现态（Qn）及触发器接收输入信号之后所处的现态Qn+1之间的关系。并进一步得出出基本RS触发器逻辑功能的数学表达式5。 约束条件 （3-2）表3-2 基本RS触发器的特性表RS000000110101011110001010110不用111不用3.3 延时电路的设计延时电路主要用于电网突然断电又立即恢复供电而烧毁家用电器。本电路可采用单稳态触发器来实现。为减小体积和性能的稳定，采用555定时器构成的单稳态电路。3.3.1 555定时器的外部管脚及电路结构1.555定时器的外部管脚。555定时

24、器是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当阻容元件，就可以方便的构成脉冲产生和整形电路，在工业控制、定时、仿声、电子乐器及防盗报警等方面应用广泛。555定时器的外引脚排列图如图3-4及其管脚描述如表3-36。图3-4 NE555定时器的外引脚排列图表3-3 NE555定时器的管脚描述1脚地2脚触发3脚输出4脚复位5脚控制电压6脚门限(阈值）7脚放电8脚电源电压Vcc2.555定时器的电路结构。图3-5给出的是555集成定时器的内部电路结构图，它主要由以下五部分组成：(1)基本RS触发器由两个与非门组成，D是专门设置的可从外部进行置0的复位端，当D =0时，使Q=0、 =1。(2)比较器A1、A

25、2是两个电压比较器。比较器有两个输入端，分别标有+号和-号，如果用U+ 和U- 表示相应输入端上所加的电压，则当U+ > U-时其输出为高电平，当U+ < U-时输出为低电平，两个输入端基本上不向外电路索取电流，即输入电阻趋近于无穷大。(3)分压器 三个阻值均为5k的电阻串联起来构成分压器（555也因此得名），为比较器A1、A2提供参考电压，A1之+端U+ =2/3VCC、A2之端U-1/3 VCC。如果在电压控制端CO另加控制电压，则可改变A1、A2的参考电压。工作中不使用CO，一般都通过一个0.01F电容接地，以旁路高频干扰。(4)晶体管开关和输出缓冲器晶体管T构成开关，其状态

26、受端控制，当为0时截止、为1时导通，输出缓冲器就是接在输出端的反相器，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。 综上所述可知，555定时器不仅提供了一个复位电平为2/3VCC、置位电平为1/3VCC,且可通过端直接从外部进行置0的基本RS触发器，而且还给出了一个状态受该触发器端控制的晶体管开关。因此使用起来极为灵活7。图3-5 555集成定时器的电路结构3.3.2 555电路的工作原理表3-4 555定时器基本功能表输 入输 出 TH Q D0 X X 低电平 导通 1 >2/3VCC >1/3 VCC 低电平 导通 1 <2/3 VCC <1/3 VC

27、C 高电平 截止 1 <2/3 VCC >1/3 VCC 保持原状态 保持原状态555电路的内部电路结构图如图3-2 所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T。比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成的分压器提供。它们分别使高电平比较器A1的同相输入端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2/3VCC和1/3VCC。A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚，即高电平触发端输入并超过参考电平2/3VCC时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，555的

28、3脚输出高电平，同时放电开关管截止。 D是复位端（4脚），当D0，555定时器输出低电平。平时D端开路或接高电平。 CO是控制电压端（5脚），平时输出2/3VCC作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01f的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。 T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。 555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，

29、可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。它的基本功能表如表3-4所示8。3.3.3 555定时器构成的单稳态触发器及其工作原理图3-6 NE555构成单稳态触发器上图3-6所示，为由NE555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。D为钳位二极管，稳态时NE555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端VO输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号（由电压取样鉴别电路提供）加到VI端。并使2端电位瞬时低于1/3VCC，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，VC按指数规律增长。当VC充电到2/3VCC时，高电平比较器动作

30、，比较器A1翻转，输出VO从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。波形图如图1-2所示。暂稳态的持续时间TW（即为延时时间）决定于外接元件R、C的大小。 （3-3）通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。555构成的单稳态触发器工作波形图如图3-7所示。图3-7 单稳态触发器工作波形图3.4 驱动单元的设计在本设计中，不论是保护器立即断电还是延时通电，都需要由继电器触电开关去控制负载，显然该保护器还应设有驱动继电器线圈的驱动电路。该单元电路由三极管VT1和VT2、二极管VD2、继电器

31、K和电阻R组成。其具体电路如图3-8 。该电路的主要功能是：通过RS触发器的输出端（）的状态，控制VT1、VT2的饱和导通或截止，使继电器线圈K中有电流或无电流，从而使其常闭触点断开或闭合，家用电器处于停止或工作状态。在本单元电路的设计中，利用VT1和VT2组成的复合型NPN工作于开关状态。采用复合管可增加其带负载能力。三极管被作为开关元件工作在饱和和截止两种状态，相当于一个由基极信号控制的无触点开关，其作用对应于触点开关的“闭合”与“断开”。图3-9为三极管工作于开关状态的状态图9。图3-8 驱动电路图3-9 三极管开关特性图VD2是续流二极管，其作用是：当二极管VT1及VT2由导通变截止时

32、，继电器线圈中的电流不会突然中断，在其线圈两端会产生上负下正的自感电压，由于该电压很高，可能会击穿三极管VT1和VT2。有续流二极管时，自感电压的极性使VD2导通，给继电器线圈中的电流（电感中的电流不能突变）提供了通路（续流），使线圈中的磁场能量慢慢释放，因而线圈两端不会产生高的自感电压，或者说由于VD2的导通使线圈两端电压被钳制（大小为UD2），VT1和VT2就不会被击穿了10。3.5 直流电源的设计直流稳压电源提供整个保护器各部分工作的直流电压。电网电压经电源变压器降压，桥式整流，电容器滤波，稳压电路得到约为24V的直流电压提供给驱动电路和直流继电器工作电压，再经稳压电路得到约为10V的电

33、压供给基本RS触发器和延时电路。它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。 3.5.1 电源变压器图3-10 电源变压器降压电路图3-10所示为一降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路。该电源变压器降压电路的工作原理是：在开关S1闭合时，220V交流市电经S1（图中未闭合）加到电源变压器T1的一次绕组两端，交流电流经S1从一次绕组的上端流入，从一次绕组的下端流出。由于变压器绕组的互感作用，在变压器的二次绕组两端输出一个较低的交流电压。3.5.2 整流电路整流就是利用二极管的单向导电性将交流电压变换成脉动的直流电压。单相桥式整流电路是工程上最常用的电

34、箱整流电路。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，由图如图3-11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。在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。（a） 电路图 （b） 波形图图3-11 桥式整流电路及波形图3.5.3 滤波电路通常利用电容或电感元件的电抗特性，将整流电路输出的脉动直流电压中的大部分交流成分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；

35、当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。 图3-12（a）是最简单的电容滤波电路，电容器与负载电阻并联，接在桥式整流整流电路后面。在二极管D1、D3导通期间，E2向负载电阻Rfz提供电流的同时，向电容器C充电，一直充到最大值。E2达到最大值以后逐渐下降；而电容器两端电压不能突然变化，仍然保持较高电压。这时，二极管D1、D3受反向电压，不能导通，于是UC便通过负载电阻Rfz放电。由于C和Rfz较大，放电速度很

36、慢，在E2下降期间里，电容器C上的电压降得不多。当E2负半周经桥式整流后来到并升高到大于UC时，又再次对电容器充电。如此重复，电容器C两端（即负载电阻Rfz两端）便保持了一个较平稳的电压，在波形图上呈现出比较平滑的波形。图3-12（b）所示为全波整流时电容滤波前后的输出波形11。 (a) 电路图 (b) 波形图图3-12 电容滤波电路及工作波形3.5.4 稳压电路 (a) 外形图 (b) 管脚图图3-13 三端集成稳压器稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。由于集成稳压器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点，在各种电源电路中得

37、到了普遍的应用。常用的有三端式集成稳压器，它有输入、输出和公共端三个引出端。三端集成稳压器有输出正电压和输出负电压之分。三端集成稳压器内部设有完善的过流、过热和短路保护电路，使用时安全可靠。国产三端式集成稳压器有W7800（输出正电压）和W7900（输出负电压）系列，图3-13为其外形和管脚图。集成稳压器可分为串联调整式、并联调整式和开关式稳压器三大类。图3-14所示为应用最广泛的串联式集成稳压器内部电路方框图，其工作原理是：取样电路将输出电压UO按比例取出，送入比较放大器与基准电压进行比较，差值被放大后去控制调整管，以使输出电压UO保持稳定12。 图3-14 串联式集成稳压器内部电路方框图三

38、端固定集成稳压器实用电路。输出固定标称电压稳压器图3-15是三端固定电压稳压器最简单、最典型的接法。从变压器输出的交流电压经整流滤波后成为不稳定的直流电压，从稳压器的1、3脚输入，在2、3脚就得到稳定的直流电压，外壳与公共端连为一体(7800系列)。输入端接入0.10.47F的电容CI，用以改善纹波，同时也能抑制输入瞬态过电压。输出端接0.1F电容CO，可以改善负载的瞬态响应。一般来说，输出端不需要接大电解电容。图 3-15（b）所示为采用7900系列输出负电压的电路，要注意的是引脚不要接错。 (a) 输出正电压 (b) 输出负电压图3-15 固定输出接法3.5.5 直流电源电路设计及工作原理

39、图3-16 直流电源电路原理图本设计中的直流电源电路原理图如图3-16所示，该电源由变压器T、整流二极管VD1VD4、电容C1C5、电阻R15、稳压二极管VDZ、开关三极管VT及三端集成稳压器W7824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UZ=24V，供给驱动单元；F点输出电压UF=10V,作为与非门G1G7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图 3-16。1.由变压器T、整流管VD1VD4、电容C1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VD1VD4组成的整流桥，输出脉动的电压，再经C1的滤波，便在其两端（即稳

40、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.由三端集成稳压器W7824、电容C2和C3构成第一级稳压电路，在E点输出24V直流电压。当电网电压和负载电流在一定范围内变化时，三端集成稳压器的输出UE能够保持稳定。由VT，VDZ，R15构成了基本调整管串联型稳压电路,组成了第二级稳压电路，在F点输出10V的直流电压。它的特点是UF与稳压管稳压值UZ是“跟随”的关系，所以只要稳压管电压UZ保持稳定，F点输出直流电压便会恒定不变。电容C4和C5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

41、的波动13。注意：除第一章绪论外，其他每一章都应该有一个本章小结3.6 本章小结本章主要对各单元电路模块的设计、电路实现原理以及实现各部分电路所用的元器件进行介绍，在具体电路中，实现每个技术指标都会有不同的方案，但根据实际情况，则需选择最适合的。实验证明本设计中各单元电路设计方案正确可行，各项指标稳定可靠。第4章 整机电路及工作原理4.1 整机电路原理图家用电器自动限电保护器的整机电路原理图详见附录1。4.2 整机电路的工作原理1.当电网电压在正常范围内时电源刚接通的瞬间，电容C6上的电压不能突变，因而UC6=0，所以门G7输出（也是基本RS触发器的输出端Q）“1”状态，的输出“0”状态，三极

42、管VT1、VT2截止，继电器常闭触点不打开，家用电器得以供电可以启动。电源接通之后,正常的电网电压经电阻R1、R2和R3分压后，由R2两端取出约40V的交流电压，经VD1半波整流再经C1、C2及R4滤波后成为直流取样电压，使图中UA=(1013) V，UB<UTH1 (与非门G1的转折电压，对于CMOS门，阈值电压约等于直流电源电压的一半，即UTH1=0.5VDD)，UC>UTH2 (与非门G2的转折电压)，故门G1输出“1”电平，门G2输出“0”电平，门G3、G5输出（RS触发器的D端）“1”电平；因为G2输出“0”电平，这时给555定时器2脚送人一个负脉冲，其输出端3脚输出“1

43、”电平，对C6充电，电压上升，使门G7输入（RS触发器的D端）为“1”电平，所以RS触发器端保持初始“0”状态，继电器K常闭触点仍闭合，电冰箱得以继续工作。2.当电网电压250V时由于电网电压升高，使直流取样电压也相应升高，因而使UBUTH1，UCUTH2,故门G1输出为“0”电平，门G2输出为“1”电平，门G3、G5输出“0”电平，基本RS触发器D =0，而这时C6已充电，仍然保持D =1 ，所以触发器的输出翻转成“1”状态，使VT1和VT2饱和导通，继电器K吸合，常闭触点K1及K2断开，电冰箱断电而停止工作。3.当电网电压170V时由于电网电压降低，使直流取样电压相应降低，因而使UCUTH

44、1（这时UB<UTH1），使门G2输出“1”电平，门G3输出为“0”电平，也同样迫使触发器输出翻转成“1”状态，VT1及VT2饱和导通，继电器K吸合，常闭触点K1、K2断开，电冰箱停止工作。4.当电网电压从大于250V降至略小于250V时由于UB<UTH1，门G1的状态翻转，输出为“1”电平，门G2由输出“0”电平（这时有UC>UTH2），通过C5给555定时器IC的2脚送入一个脉冲负脉冲，则555定时器3脚变为“1”电平（D =1），门G5输出为“1”电平（D =1），使基本RS触发器端保持输出“1”电平，三极管VT1、VT2饱和导通，继电器常闭触点保持断开状态，家用电器仍

45、停止供电。555定时器3脚变为“1”电平的同时放电管截止，直流电源VDD经电阻R13对电容C7充电，UD（UC7）上升。经5分钟后，UD>2/3VDD，555电路状态翻转，3脚恢复为“0”电平，经电容C9送至RS触发器，使D =0 ,这时因G2输出“0”电平，G3输出为“1”电平，即D =1，迫使RS触发器端翻为 “0”状态，VT1及VT2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TD的截止时间）仅与电阻R13和电容C7的乘积成正比，而与直流电源电压VDD的大小无关。调整R13，可以延时5分钟。单稳态触发器的工作波型见图3-7所示。其中Vi

46、为2脚电压，VC为3脚电压，V0为7脚电压的波形。5.当电网电压从小于170V升至略大于170V时由于电网电压升高，使直流取样电压相应上升，因而使UC>UTH2（这时UB<UTH1），G2输出为“0”电平，通过C5也为555定时器IC的2脚送入一个负脉冲，接下来的过程与上述过程相同，电冰箱又恢复工作14。4.3 本章小结本章主要介绍了家电保护器的整机电路及其原理。 家电保护器基本工作原理为：电网电压由取样电阻分压整流滤波后成为直流取样电压，该电压直接反应反应电网电压的变化，利用CMOS与非门的转折电压等于直流电源电压的一半的特点，将该模拟直流电压转换为数字控制电压，从门G2输出的信

47、号通过电容C5送到555定时器构成的单稳态触发器的的2脚，555定时器的3脚输出状态控制基本RS触发器输入端D的状态：门G5输出的信号控制基本RS触发器的输入端D的状态。当电网电压发生变化时，门G2输出信号随之发生变化，控制555定时器3脚输出电平（基本RS触发器输入端D的状态），基本RS触发器的输入端D也发生变化，两路信号共同改变基本RS触发器端输出电平去控制直流继电器的状态，从而实现家用电器自动限电保护的功能。注意：除第一章绪论外，其他每一章都应该有一个本章小结第5章 电路的安装与调试5.1 电路元器件选择与计算5.1.1 与非门的选择因为本设计中需要的与非门比较多，所以选用CD4011，

48、CD4011是四2输入与非门，即在一块集成块内含有四个互相独立的与非门，每个与非门有两个输入端，其管脚排列图见图5-1。CD4011是一个CMOS集成逻辑门电路，COMS电路的主要参数的特点如下：（1）UOH(min)=VDD；UOL(max)=0。所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。（2）阈值电压UTH约为VDD/2。VIH(min)= VDD/2（3）其高、低电平噪声容限约VDD/2 。（4）CMOS电路的功耗很小，一般小于1mW/门；（5）因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，达50CMOS门电路功耗低，扇出数大，噪声容限大，开关速度与TTL接近，易大规模集成

49、，已成为数字集成电路的发展方向15。5.1.2 电压取样鉴别单元阻容元件的选择要求在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R1=R3=56kR2=27k整流二极管选用2CZ55B，滤波电容C1=47µF/50V ,C2=10µF/50V因为是半波整流滤波电容，电容C1两端的电压UC1UR2=40V设二极管VD1的工作电流：又要求：UA(UC2) =(1013)V(按13V计算)可计算出： 图 5-1 CD4011管脚图可取。要求UB<UTH1，UC>UTH1，因为UTH1= UTH2=1/2VDD，CMOS与非门的电源电压由直流

50、电源的F端供给，即VDD =UF=10V，所以UTH1= UTH2=5V，以此为据，可选择R5=20K，R6=R7=18k，R8=27k，RP1=10k，RP2=20k的电位器。C3=C4=10f/50V。选R9和R10的作用是保持C6两端为高电平时，其电平值的稳定。选取R9= R10=100k，电容C5=1F/50V，C6=33F/50V16。5.1.3 延时电路元件的选择选C7=100F/50V，可以计算出R13的范围，在图3中，=1.1RC。当时R13可选用470k的固定阻值与2M的电位器串联。 ， ，5.1.4 驱动单元元器件选择和计算：选，的NPN型小功率硅管，型号3DG100B(旧

51、型号3DG6B)：选，的NPN型中功率硅管，型号3DG130B(旧型号3DG12B)：选2CZ55B(旧型号2CZ11K)。继电器K：选用直流24V小型通用继电器。的计算：设，继电器K的直流电阻，则三极管的基极临界饱和电流 =mA=0.53mA当门G6，G7输出高电平（）时，要使，饱和导通，则故 ，取。5.1.5 直流稳压电源元器件的选择和计算：选，的NPN型小功率硅管，型号3DG100B(旧型号3DG6B)稳压二极管的选择：电路要求F点输出电压 E点输出电压 即 查手册选用2CW59(就型号2CW18)，其稳压电压，最大工作电流。的计算：，可取。集成稳压器的选择：由于驱动电路选用了24V直流

52、继电器 ，故三端集成稳压器选用可稳定输出直流+24V 的国产三端集成稳压器W7824，其输入端接入=0.33的电容，用以改善纹波，同时也能抑制输入瞬态过电压。输出端接=0.1电容，可以改善负载的瞬态响应。变压器T的选择：由于W7824要求其输入端电压至少比输出端电压大3V， 故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=24V。选电源变压器为初级输入220V交流电压，次级电压为24V、电流为0.1A。桥式整流电路的选择：整流电路选用集成整流硅桥选用KBP210。电容,和的选择：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17。5.2 安装步骤1.检

53、查元件的好坏按电路图买好元件后，首先检查买回元件的好坏，按不同元件的检测方法分别进行检测，而且要认真核对与原理图是否一致，在检查好后才可上件、焊件，防止出现错误后不便改正。2.放置、焊接元器件按电路布线图的位置放置各个元器件，在放置过程中要先放置、焊接较低的元件，后焊较高的元件和要求较高的元件。特别是容易损坏的元件要后焊。需焊接集成芯片时，首先将集成芯片座焊到电路板上，在电路全部焊接完成且检查无误后，再将芯片牢固、准确的安装到芯片座上，注意芯片的安装方向。5.3 整机调试1.安装时先暂不将电容C5电路中，当焊接完毕且检查无误后方可进行调试。2.首先调试电压取样鉴别单元(1)将电位器RW1、RW2的调节端置于中点位置，将市电接入可将市网电压220V调节为170V250V输出的调压器的输入端，调压器的输出端与家电限电保护器的市电输入端相接。 (2)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