过欠电压报警器电路设计

图1过压/欠压掉电报警器原理框图电源整流滤波比较电路报警器装置三、电路工作原理及说明3.1整流滤波稳压电路整流滤波稳压电路如图2所示，其原理是：交流电压见过单相桥式整流电路整流，再见过电容滤波，接一个稳压管进行稳压输出。图2整流滤波稳压电路整流桥的工作原理：设变压器的副边电压u2=1.414U2sinwt，U2为其有效值。当u2为正半周期时，电流由A点流出，经二极管2、负载、二极管4流入B点，负载上的电压等于变压器副边电压。当u2为负半周期时，电流由B点流出，经二极管1、负载、二极管3流入A点，负载上的电压等于-u2，二极管2、4承受反向电压u2。由图可知整流后电压为：Ua≈0.9U2。整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是含有较大的交流成分，不能适应大多数电子电路及设备的需要。因此，一般在整流后，还需利用滤波电路将脉冲的直流电压变为平滑的直流电压。与用于信号处理的滤波电路相比，直流电源中滤波电路的显著特点是：均采用无源电源；在理想情况下，滤去所有交流成分，而只保留直流成分；能够输出较大电流；而且，因为整流管工作在非线性状态（即导通或截止），故而滤波特性的分析方法也不尽相同。滤波后电压平均值为：Ub≈1.2U2。从而得知Uo=Ub-UR1=1.2U2-UR1。3.2整流滤波稳压输出由上页公式可以计算输出电压Uo≈1.2U2-UR1。代入数据可得 Uo≈13.2V。实际仿真结果如图5所示：3.3电压比较电路电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路，在测量和控制中有着相当广泛的应用，本课题主要应用单限比较器，利用已知电压与比较器阈值电压比较确定输出的高低电平。用运放接反馈构成比例放大器，不接反馈构成单限电压比较器，电路如图3所示。图3电压比较器电路3.4电压比较器参数 第一级运算放大器U1接了反馈R4，由电路图可知这是双端输入的比例运算电路，也可以实现差分放大，输出电压Uo1为Uo1=R4/R7﹙V4-Ui﹚ （1） 第二级电路的阀值电压为UT=R5/(R5+R6)V2（2）3.5驱动报警装置电路用三极管和555芯片构成报警驱动电路，其电路图如图4所示。图4报警电路 说明：用555定时器接成的多谐振荡器主要是配合晶体管驱动发光灯提示，从而报警。上图为三级管驱动报警装置电路。从上级的输出即Ui经过三极管Q1和可调电阻R12驱动X2的亮灭。电容用1uF，电阻可以用1k欧姆的可调电阻。由于输出电压较低，使用时不别担心安全问题，但是考虑材料的问题，注意别让导线短路烧坏芯片。理论知，三极管基极与发射极之间的电压只要大于0.7V就会导通，报警器（图中用电灯泡X2代替）。当小于0.7V时，三极管不工作，电路不导通。四.电路性能指标的测试通过理论推理，分析比较，进行逐步仿真，对局部电路的参数进行调整，对各性能指标进行如下测试。4.1整流滤波稳压电路的测试整流滤波稳压电路主要运用桥式整流器D1加电容C1和稳压管D3及电阻组成。通过改变变压器的变压比例，可以实现课题所要求的过压、欠压或掉电的。电路连接后仿真结果图4所示：图5整流滤波稳压输出4.2电压比较器电路测试 由图3可知第二个运放没有接反馈，工作在开环状态，故组成电压比较器。公式（1）、（2）知电压Uo1和UT进行比较。 当Uo1<UT时,Uo2为低电平，当Uo1>UT时,Uo2为高电平。电路只有一个阈值电压，故为单限比较器。Uo2的高、低电平决定于集成运放输出电压的最小值和最大值。在最大值、最小值之间即正常情况下两个报警装置不报警。当超过此范围，其中之一报警器工作，提示是过压还是欠压或者掉电。 如果按照图示过压计算，即输入输入交流250V、直流5.5V，此时由（1）式Uo1=R4/R7﹙V4-Ui﹚=100/50×(8-5.5)=5(V)由（2）式UT=R5/(R5+R6)V2=5/(5+10)×12=4(V)由以上理论计算可知Uo1>UT，所以输出高电平，使晶体管导通，驱动报警器工作。下图是电压比较器电路的输入输出仿真电压波形。图6555输出波形从输出波形看，输入有微小变化主要来自电压的整流和滤波，但是经过比例放大器后误差可以忽略不计，输出高电平，比较稳定。基本满足仿真要求。4.3驱动电路测试报警电路已给出（如图4所示），主要用到两只三极管，一只12V10W，一只5V1W电灯泡和555芯片，2个12V电源，2个电容，3个电阻和1只滑动变阻器。计算报警器的报警周期T=(R9+2R13)C2ln2代入数据得T=（10+20）×0.1×0.001×ln2=0.002（s）=2（us）从而得到频率为f=1/T=500（Hz）晶体管的基极电流为IB=(Ui-UBE)/R10=(2.2-0.7)/50=0.03(A)由以上理论计算，可知三极管能导通，从而使报警器报警（即图中的电灯泡发光）。 万用表测试各元件结果如下表：表1测试数据表Ube（V）电容（uF）电压（V）电阻（kΩ）电流（A）2.130.12.210.041-11.110.13100.042整体连接通过连接、调试，运行过压时的仿真电路图如下：图7仿真结果从图可以观察到灯泡发光，此现象与理论推理（过压时报警装置启动）相同，唯一有疑问的是电灯泡没有全发光，从理论上讲应该全发光，但是，由于电源需要提供运算放大器的工作电压，对电路工作有微小影响。总体上电路可以运行，单列元器件选择没有问题，基本达到课题所研究的目的。五、结论整流滤波稳压电路、电压比较器电路与报警装置连接起来，得到一个过压、欠压掉电的报警器电路，从实际仿真结果看，此电路基本满足性能指标，符合要求，当外接交流250V、直流5.5V电压时，调节滑动变阻器，可以观察到指示灯的亮灭，只要滑动变阻器的滑动端在正常工作的范围内，电路便可以工作。致谢本次课程设计，遇到不少麻烦，特别是在进行模拟仿真时候出现许许多多的问题，很多还是自己不能解决的问题，还好，在老师和同学的指导下完成了。在次感谢潘湘高老师及田兰、陈睿同学的帮助。参考文献1．康华光主编.数字电子技术基础.[M]北京：高等教育出版社，2002年2．谭博学主编.集成电路原理与应用.[M]北京：电子工业出版社，2003年 8周志敏、纪爱华主编.电工电子实用电路，[M]北京：电子工业出版社，2005年9．康华光主编.模拟电子技术基础.[M]北京：高等教育出版社，2002年10．王敏、王芳、蔡玲主编.实用电工电路图集.[M]北京：中国电力出版社，2008年 附录1元器件清单序号编号名称大小数量001U1、U3运放2002V2、V3、V7直流电源+12V3003V1、V4直流电源-12V2004V6交流电源220V1005T1变压器1006R1电阻10kΩ1007R7电阻50kΩ2008R4电阻100kΩ2009R8滑动变阻器2kΩ1010R