家庭延迟保护电路

1、武汉理工大学Protel课程设计Protel课程设计任务书学生姓名： 王兵 专业班级： 电信1102 指导教师： 李达 工作单位： 信息工程学院 题 目 七：家电延时保护器电路的原理图设计初始条件：熟练使用Protel 99se(或Protel DXP) 印制板设计系统，使用PROTEL软件，新建和加载原理图项目文件及原理图设计环境的设置，熟练掌握如何进行原理图设计、原理图仿真的方法，设计原理图并生成网表。要求具有较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力，对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备电子电路的基本设计能力及基本调试能力。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要

2、求，以及说明书撰写等具体要求）1、完成家电延时保护器电路的设计。2、画出完整的家电延时保护器电路的原理图3、分析家电延时保护器电路的原理。4、完成Protel课程设计报告（应包含电路原理图，原理分析，元件清单、设计总结）。时间安排: (1) 布置课程设计任务,查阅资料,学习Protel教程 十周； (2) 进行编程设计 一周； (3) 完成课程设计报告书 一周；指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录一 本课题的主要任务和研究内容11.1本课题的主要任务11.2本课题研究的内容2二 电路原理图2三 原理分析33.1直流稳压电源部分43.2延时电路53.3比较器63.

3、4继电器7四 元器件的选择与计算84.1直流稳压电源部分元器件的选择84.2比较器的元器件的选用84.3定时器IC的选择8五 制作过程105.1绘制原理图105.2生成pcb13六 个人体会14七 附录157.1 原理图157.2 pcb图157.3材料清单16参考文献17一 本课题的主要任务和研究内容1.1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175235v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

4、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；

5、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)

6、 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。1.2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：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

7、现发热导致破坏绝缘层的现象。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。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。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。二 电路原理图图2-1 电路原理图三 原理分析整体工作流程该电路的

8、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3-1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时电路，然后通过555时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。整体工作过程为：由变压器把外界的电压变为家庭延迟保护电路工作所需的电压，此时的电压仍然是交流电压，首先经过整流桥进行半波整流，然后一部分信号输入到RV7，另外一部分经过电容C3和C6进行滤波，然后经过78L12进行稳压、经过C5和C4进行再次

9、滤波。第二部分为稳定的电压进入比较器进行比较，通过调节RV4和RV6的阻值大小来确定输出，然后经过T2进行放大，在经过D6然后输入到NE555中，若输入的电压小于180或者大于240时此时继电器的开关断开D5亮，说明此时的电压不正常，通过一定的外接的电路来控制冰箱的开关，在这里用的是通过电容与电阻之间的充放电来实现延迟的，当电压正常后，NE555有一定时间的控制作用通过设计滑线电阻的大小以及R5.C2.C7的大小来控制延迟时间的大小，比如本例中设计的时间为5分钟，当电压正常后D3灯亮，此时说明外界的电压正常，电冰箱可以正常工作，通过一定的外接电路控制使电冰箱工作。3.1直流稳压电源部分1. 方

10、框图图3-2 方框图2. 直流稳压电源原理分析直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。四个环节的工作原理如下：(1) 电源变压器：是降压变压器，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，变压器的变比由变压器的副边电压确定。(2) 整流滤波电路：整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。(3) 滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压各滤

11、波电容C满足RL-C（35）T/2，或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。(4) 稳压电路：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。常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。常用可调式正压集成稳压器有CW317(LM317)系列，它们的输出电压从1.25V37伏可调，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护，最大输出电流为1.5A。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C2、C7电阻R1、R2、R5、R6、R7等组成。该

12、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3-3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UB<UTH1，门G1的状态翻转，输出为“1”电平，门G1由输出“1”变为输出“0”(这时有Uc>UTH2)，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VDD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，输出一个负脉冲，送至RS触发器，使SD的平均值为0(这时因G2输出“0”电平，G3输出为“1”电平，即RD的平均值为1，迫使RS触

13、发器翻为“1”状态(Q=1)，门G6及G7输出“0”状态，T1及T2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5所示。其中uD为2脚电压，uD为3脚电压，uD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，UC>UTH1 (这时UB<UTH1,门G1输出“1”电平)，门G2输出“0”电平，通过G5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

14、恢复工作。3.3比较器窗口比较器的特点是Vi沿着一个方向变化时，可以使V0产生两次跳变。 图3-4 窗口比较器电路图 图3-5窗口比较器的传输特性窗口比较器的电路图如图3-4所示，电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成，D1和D2是输入保护二极管，D3和D4的作用是防止电流回流损坏运算放大器。将参考电压VH加于放大器A1的反向端，VL加于放大器A2的反向端，且有将输入信号Vi输入到运算放大器的同相输入端，这是运算放大器处于开环工作状态，具有很高的开环增益。由于受到正相电源电压、二极管和电阻的限制，输出电压为+Vom或者0。设R1=R2，二极管的正向导通电压为VD，则有电压传输特性曲线是反映

15、输出电压V0和输入电压Vi之间关系的曲线。窗口比较器的电压传输特性如图3-5所示。输入信号偏离参考电压时，输出电压将发生跃变。由图可见(1) 当Vi>VH时，V01为高电平，D3导通，V02为低电平，D4截止，V0= V01；(2) 当Vi<VL时，V02为高电平，D4导通，V01为低电平，D3截止，V0= V02；(3) 当VL<Vi<VH时，V01为低电平，D3截止，V02为低电平，D4截止，V02为低电平。将输出电压发生跃变的现象称为比较器翻转。3.4继电器继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)，通常应用于自动控制电路

16、中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。四 元器件的选择与计算4.1直流稳压电源部分元器件的选择稳压器选用78L12，滤波电容C3取100uf，C6为进一步滤波的电容取470uf，经过78L12的稳压作用后再用C4和C5进行再次的滤波取C4的值为220uf，C5的值为100uf。4.2比较器的元器件的选用两个比较器都用EL2180电阻R3取10k，滑线变阻器的示值根据所需的电压大小的不同而不同，R4的取值为4.7k4.3定时器IC的选择555定时器选用NE555，其管脚外形图如下图所示。工作电压VCC=11V。定时器是一种产

17、生时间延迟和多脉冲信号的控制电路，555定时器是用途极广的精密定时电路。它的电源电压范围宽(518v)，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4-1 555时基引脚功能图555定时器IC的工作原理如下： 图4-2 555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A1和A2，一个晶体管，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A1的同相输入端6脚称为复位端R，当R端的点位高于A1的反相输入端的点位Va=（2/3）VCC时，A1输出为“1”，使后随R-S触发器复位，输出端3脚Vo为逻

18、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VB=（1/3）VCC时，A2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4脚为“0”，实际上4脚<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。五 制作过程5.1绘制原理图1. 新建工程新建一个.sch文

19、件，并把存储路径设为桌面，以便于以后的应用。2. 更改图纸的大小在图纸上右击，打开文档选项按钮，设置图纸大小为A4图5-13. 放置元件这个过程比较纠结，由于家庭延迟保护电路中要使用：变压器，整流桥，差分比较器，继电器等不常用的器件，因此，有的元件会找不到，我的解决方案是加入元件库，并重新下载了一个protel99se，在经过一下午的努力后终于把所有的元件都找齐了。4. 设置元件参数这个过程就是封装号的查找很难，要自己在百度上一个一个的查，而且有些还是错的，因此，这个过程要靠实践才能知道是否正确，比如比较器的封装的设置就很难找。图5-25. 进行连线连线后的原理图为图5-3 原理仿真图6. 电

20、器规则检查图5-47. 生成材料清单点选仿真材料清单，生成元件类型、封装、名称的清单图5-5 元件清单8. 生成网络表格点选菜单栏中的设计创建网络表，生成网络表，网络表中，一对方括号之间是一个元件的属性，包括序号、封装号、参数值。一对圆括号之间是连接某个节点的所有连接线。应对照原理图进行检查，看有无错误、遗漏。 还有好多装不下了。5.2生成pcb1) 新建一个.pcb文件，和刚才建的原理图文件放在一起。2) 载入网络表，导入元件。3) 合适地调整元件的位置，使布线最简单。4) 布线后的pcb图见附录六 个人体会通过本次protel课程设计的学习，我学会了运用软件去设计电路图并且生成pcb，该保

21、护电路通过对所供电设备电压进行取样检测，电压出现过压、欠压现象时，保护电路内部执行继电器延时，释放开关(保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。该系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，基本上达到题目要求的各项指标要求。但是也遇到了很多困难，最后经过我们自己的努力和同学的帮助最终克服困难，在规定时间内完成了任务。通过该家庭延迟保护电路的设计，我进一步熟悉了protel99se的应用，通过原理图的设计，绘制，以及pcb的生成，以及最后实现的对电冰箱的延迟保护电路的完成，都让我学到了许多东西，特别是自己在找元件封装的过程，以及在元

22、件的查找。设计是一个实践的平台，在设计过程中，我通过不断学习、制作，让我掌握了很多东西。既熟悉了 Protel99 软件的使用，也进一步提高了自己设计电路的能力。更重要的是，通过这次锻炼，增强了我的动手处理能力，扩大了想问题的角度，学会了如何分析电路问题、如何去查找并改正电路中的错误，如何把大的问题最小化，并一一解决。在设过程中遇到了很多困难，真的很感谢老师，同学们给与的帮助，让我有机会能成功完成这一艰巨的任务。同时也让我深深感受到团结力量的伟大。在今后工作中我将努力发扬坚持不懈，团结一致，积极进取的精神。出色，保质保量完成各项任务。总结经验教训，在工作中求发展。 七 附录7.1 原理图图7-1 原理图7.2 pcb图图7-2 PCB图7.3材料清单表7-1 元件清单编号名称型号封装号数量D1 D4整流二极管1N4001DIP44D1 D2 D5发光二极管红 绿 蓝SI