過電壓保護(hù)電路

科學(xué)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告-PAGE15-新疆大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告所屬院系：科學(xué)技術(shù)學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化課程名稱：電子技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)題目：過電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)班級(jí)：電氣14-1學(xué)生姓名：龐浩學(xué)生學(xué)號(hào)：20142450007指導(dǎo)老師:常翠寧完成日期：2016.6.30課程設(shè)計(jì)題目：課程設(shè)計(jì)是將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中的過程，是理論和實(shí)踐的結(jié)合。此外，電子技術(shù)綜合課程設(shè)計(jì)是將我們所學(xué)的《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》和《電路》的綜合應(yīng)用，欲通過此次課程設(shè)計(jì)將我們所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到生活實(shí)踐之中去，一致更好的學(xué)習(xí)理論知識(shí)。我們此次的設(shè)計(jì)任務(wù)是“電網(wǎng)電壓異常報(bào)警器過電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)”，主要是針對(duì)我們學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)與之前所學(xué)的物理、電路基礎(chǔ)綜合起來，進(jìn)行綜合，以設(shè)計(jì)培養(yǎng)我們獨(dú)立分析、思考與解決實(shí)際問題的能力。以及如何學(xué)以致用，將所學(xué)的課程運(yùn)用到實(shí)踐生活中。通過此次的課程設(shè)計(jì)，我們應(yīng)該達(dá)到以下的基本要求：1．能夠在理論知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步熟悉常用電子器件得的類型和特性，合理地進(jìn)行選擇和運(yùn)用。2．能夠獨(dú)立地對(duì)課題進(jìn)行分析，運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，通過翻閱資料，設(shè)計(jì)出最優(yōu)方案。3．學(xué)會(huì)電子電路的安裝與調(diào)試技能，培養(yǎng)我們分析與解決問題的能力。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：評(píng)定成績(jī)?yōu)椋褐笇?dǎo)教師簽名：2016年6月30日電網(wǎng)電壓異常報(bào)警器過電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)（OverVoltageProtection）總體方案的選擇經(jīng)過小組成員的分析與討論，得出過電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)的框圖如下：1．雙向二極管限幅電路運(yùn)用二極管的單向?qū)ㄐ裕梢詫?duì)輸入電壓進(jìn)行限幅。電路圖如1-1所示，限幅后的波形圖如圖1-2所示。圖1-1二極管雙向限幅仿真電路圖圖1-2二極管雙向限幅輸出波形圖優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，便于實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)劃算。缺點(diǎn)：（1）輸出波形有失真；（2）電壓過大時(shí)容易被擊穿；（3）需要很大的直流偏置電壓。因此不選用該方案。2．經(jīng)典過電壓保護(hù)電路MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398過壓保護(hù)(OVP)器件用于保護(hù)后續(xù)電路免受甩負(fù)載或瞬間高壓的破壞。器件通過控制外部串聯(lián)在電源線上的n溝道MOSFET實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電壓超過用戶設(shè)置的過壓門限時(shí)，拉低MOSFET的柵極，MOSFET關(guān)斷，將負(fù)載與輸入電源斷開。過壓保護(hù)(OVP)器件數(shù)據(jù)資料中提供的典型電路可以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求(圖2)。然而，有些應(yīng)用需要對(duì)基本電路進(jìn)行適當(dāng)修改。圖2經(jīng)典過電壓保護(hù)電路經(jīng)典過電壓保護(hù)電路雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于Multisim12.0中無法找到元件MAX6495,無法進(jìn)行仿真，所以不選用該方案。3．智能家電過電壓保護(hù)電路電路原理：該裝置工作原理見圖，電容器C1將220V交流市電降壓限流后，由二極管、整流，電容器擔(dān)任濾波，得到12V左右的直流電壓。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，穩(wěn)壓二極管VDW不能被擊穿導(dǎo)通，此時(shí)三極管VT處于截止?fàn)顟B(tài)，雙向可控硅VS受到電壓觸發(fā)面導(dǎo)通，插在插座XS中的家電通電工作。（圖3）圖3智能家電過壓保護(hù)電路如果電網(wǎng)電壓突然升高，超過250V，此時(shí)在RP中點(diǎn)的電壓就導(dǎo)致VDW擊穿導(dǎo)通，VDW導(dǎo)通后，又使得三極管VT導(dǎo)通，VT導(dǎo)通后，其集電極—發(fā)射極的壓降很小，不足以觸發(fā)VS，又導(dǎo)致VS截止，因此插座XS中的家電斷電停止工作，因而起到了保護(hù)的目的。一旦電網(wǎng)電壓下降，VT又截止，VT的集電極電位升高，又觸發(fā)VS導(dǎo)通，家電得電繼續(xù)工作。R電阻5.1K1，RP電位器15K選用多圈精密電位器1，C1金屬化紙介電容0.47uF耐壓≥400V1，C2電解電容100uF/25V1，、整流二極管IN40072，VDW穩(wěn)壓二極管12V的2CW121，VT晶體三極管3DA87C、3DG12等1，VS雙向可控硅6—10A耐壓≥600V1，CZ電源插座10A250V1該裝置的調(diào)試十分簡(jiǎn)單，當(dāng)電網(wǎng)電壓為220V時(shí)，調(diào)整RP，使VDW不擊穿，當(dāng)電壓升高至250V，VT飽和導(dǎo)通即可，調(diào)試時(shí)用一調(diào)壓變壓器來模擬市電的變化更方便。優(yōu)點(diǎn)：能夠保護(hù)家用電器避免高電壓的沖擊帶來的傷害，、缺點(diǎn)：需要購(gòu)買二極管，NPN型BJT以及雙向可控硅VS，不太經(jīng)濟(jì)。而且由于該方案采用的很多元件很難找到，各種仿真元件不能對(duì)該電路不能進(jìn)行模擬，故放棄該方案。4．VGA過電壓保護(hù)電路這是最基本的保護(hù)電路，從VGA接口1，2，3出來的信號(hào)經(jīng)過一個(gè)視頻選擇芯片后被送到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，也就是AD9883。如果這三個(gè)端口的電平較高，可能會(huì)把AD9883燒壞，為了避免此現(xiàn)象，故此加入如圖所示的保護(hù)電路。（1）電平較高時(shí)（過電壓正極性脈沖），它將會(huì)通過二極管2和C502被接到地端，構(gòu)成回路，而不會(huì)通過AD9883，故對(duì)AD9883起到保護(hù)作用。（2）電平較低時(shí)（過電壓負(fù)極性脈沖），它將會(huì)通過二極管1被接到地端，同樣構(gòu)成回路，也不會(huì)通過AD9883，同樣對(duì)AD9883起到保護(hù)作用。也就是說，這一個(gè)保護(hù)回路，過高和過低的情況都被導(dǎo)入地端，這樣，它的電平值就被牽制為一個(gè)固定值。（圖4）圖4VGA過電壓保護(hù)電路優(yōu)點(diǎn)：便于集成缺點(diǎn)：需要特殊元件才能實(shí)現(xiàn)，競(jìng)技性差，技術(shù)要求高，不容易實(shí)現(xiàn)。再綜合仿真的限制，該方案同樣放棄。5．電磁繼電器式過電壓保護(hù)電路通過對(duì)上述方案的討論，結(jié)合它們的優(yōu)缺點(diǎn)，我們參考上述方案自行設(shè)計(jì)出該過電壓保護(hù)電路。并且通過論證比較，我們最終采用了自己設(shè)計(jì)的方案。該方案的系統(tǒng)方案框圖如圖5-1所示。原理：輸入220V交流電經(jīng)過整流電路進(jìn)行整流，將交流電變換成脈動(dòng)直流電。再送入濾波電路進(jìn)行濾波，濾除脈動(dòng)成分，得到比較平滑的直流電壓?？紤]到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載、溫度的變化將使這個(gè)電壓發(fā)生變化，因此在濾波電路后接入穩(wěn)壓電路，使輸出得到穩(wěn)定的電壓。而取樣電路的所取的電壓則是沒有經(jīng)過穩(wěn)壓的電壓，能夠隨時(shí)將取得的電壓情況反饋到觸發(fā)電路，從而達(dá)到過電壓自動(dòng)保護(hù)的目的。圖5-1電磁繼電器式過電壓保護(hù)電路單元電路的設(shè)計(jì)1.變壓電路通過變壓器將較高的一次側(cè)電壓（220V），以便后續(xù)的整流、濾波電路進(jìn)行處理。圖5-2變壓電路(公式1）2．單相橋式整流電路（1）簡(jiǎn)介橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管連接成“橋”式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。基本原理就是利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⒔涣麟娮兂梢粋€(gè)方向流動(dòng)的電流。讓交流電流的正半周到來時(shí)順利通過二極管（正向?qū)ǎ?dāng)交流電流的負(fù)半周到來時(shí)（方向與正半周相反）二極管反向截止，則不能通過，如此循環(huán)，就形成一個(gè)方向的電流，如圖5-3所示：圖5-3單相橋式整流電路（2）工作原理整流電路在工作時(shí)，電路中的四只二極管都是作為開關(guān)運(yùn)用，根據(jù)圖2-1的電路圖可知：當(dāng)正半周時(shí)，對(duì)D1、D3加正向電壓，二極管D1、D3導(dǎo)通（D2、D4截止），在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周；當(dāng)負(fù)半周時(shí)，二極對(duì)D2、D4加反向電壓，管D2、D4導(dǎo)通（D1、D3截止），在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。但是無論在正半周期還是負(fù)半周期，流過RL中的電流方向都是一致的在整個(gè)周期內(nèi)，四只二極管輪流導(dǎo)通或截止，在負(fù)載上得到了單一方向的脈動(dòng)直流電壓和電流。（3）主要性能指標(biāo)整流電路的性能指標(biāo)常用兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)來衡量：一個(gè)是反映轉(zhuǎn)換關(guān)系的，用整流輸出電壓的平均值來表示；另一個(gè)是，輸出的平均電流。整流輸出電壓的平均值(公式2）輸出平均電流（公式3）在單相橋式整流電路中，由于四只二極管兩兩輪流導(dǎo)通，即每只二極管都只是在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，所以流過每個(gè)二極管的平均電流是輸出電流平均值的一半，即:

(公式3）二極管的最大反向峰值電壓：(公式4）根據(jù)二極管的選用條件，采用IN4007。而Multisim12元件庫(kù)中提供了電橋，我們直接使用電橋既可。3.濾波電路（1）簡(jiǎn)介濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感組成的各種復(fù)式濾波電路。

交流電經(jīng)過二極管整流之后，方向單一了，但是大?。娏鲝?qiáng)度）還是處在不斷變化之中。這種脈動(dòng)直流一般是不能直接用來給集成電路供電的。要把脈動(dòng)直流變成波形平滑的直流，還需要再做一番“填平取齊”的工作，這便是濾波。換句話說，濾波的任務(wù)，就是把整流器輸出電壓中的波動(dòng)成分盡可能地減小，改造成接近恒穩(wěn)的直流電經(jīng)過整流后的電源電壓雖然沒有交流變化成分，但其脈動(dòng)較大，需要經(jīng)過濾波電路消除其脈動(dòng)成分，使其更接近于直流。

濾波一般采用無源元件電容或電感，利用其對(duì)電壓，電流的儲(chǔ)能特性達(dá)到濾波的目的。由于電抗元件在電路中有儲(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容器C在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量?jī)?chǔ)存起來，而當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把能量釋放出來，使負(fù)載電壓比較平滑，即電容C具有平波的作用；與負(fù)載串聯(lián)的電感L2當(dāng)電源供給的電流增加（由電源電壓增加引起）時(shí)，它把能量?jī)?chǔ)存起來，而當(dāng)電流減小時(shí)，又把能量釋放出來，使負(fù)載電流比較平滑，即電感L也有平波作用。

濾波電路形式很多，為了掌握它的分析規(guī)律，把它分為電容輸入式（電容器C接在最前面）和電感輸入式（電感器L接在最前面）。前一種濾波電路多用于小功率電源中，而后一種濾波電路多用于較大功率電源中（而且當(dāng)電流很大時(shí)，僅用一電感器與負(fù)載串聯(lián)）。（2）工作原理設(shè)電容C上初始電壓為零。接通電源時(shí)U2由零逐漸增大，二極管D1，D3，正偏導(dǎo)通，此時(shí)U2經(jīng)二極管D1，D3向負(fù)載RL提供電流同時(shí)向電容C充電，因充電時(shí)間常數(shù)很小，電容C上電壓很快達(dá)到U2的峰值，即Uo=sqrt(2)U2達(dá)到最大值以后，按正弦規(guī)律下降，當(dāng)U1<UC時(shí)，D1，D3的正極點(diǎn)位低于負(fù)極電位，所以D1，D3截止，電容只能通過負(fù)載RLC放電，放電時(shí)間τ放=RLC，放電時(shí)間常數(shù)越大，放電就越慢，U0的波形就就越平滑。在U2的負(fù)半周，二極管D2，D4正偏導(dǎo)通，U2通過D2，D4向電容C充電，使電容C上電壓很快達(dá)到U2的峰值，過了該時(shí)刻以后，D2，D4因正極電位低于負(fù)極電位而截至，電容又通過負(fù)載RL放電，如此周而復(fù)始，就可以再負(fù)載上得到的是脈動(dòng)成分大大減小的直流電壓。

圖5-4單相橋式整流濾波電路(3)主要性能指標(biāo)當(dāng)濾波電容較大時(shí)，一般按照經(jīng)驗(yàn)公式來估算輸出直流電壓U0

(公式5）負(fù)載電流(公式6）在單相橋式整流濾波時(shí)，輸出直流電壓≈U2。需要注意的是，在上述輸出電壓的估算中都沒有考慮二極管的導(dǎo)通壓降和變壓器副邊繞組的直流電阻，在設(shè)計(jì)直流電源時(shí)，當(dāng)輸出電壓較低時(shí)（10V以下）時(shí)，應(yīng)該把上述因素考慮進(jìn)去，否則實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論設(shè)計(jì)差別較大，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在輸出電壓較低時(shí)，按照上述的公式的計(jì)算結(jié)果在減去2V（二極管的壓降和變壓器繞組的直流壓降之和）可以得到與實(shí)際測(cè)量相符的結(jié)果。電容濾波具有幾個(gè)特點(diǎn)：輸出電壓提高，脈動(dòng)成分減小，二極管導(dǎo)通時(shí)間大大減少。

由于二極管在短暫的導(dǎo)電時(shí)間內(nèi)要流過一個(gè)很大沖擊電流，才能滿足負(fù)載電流的需要，所以在選用二極管時(shí)，二極管的工作電流應(yīng)遠(yuǎn)小于二極管的最大整流電流，，這樣才能保證二極管的安全。二極管承受的反向電壓U，應(yīng)小于二極管的最高反向工作電壓。R=1kΩ。（4）濾波電容器的選擇在負(fù)載一定的條件下，電容C越大，濾波效果越好，電容量的值經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可按下公式選擇：

≥（T為交流電壓周期)

(公式7）電容器的額定耐壓值：

濾波電容器型號(hào)的選定應(yīng)查閱有關(guān)器件手冊(cè)，并取電容的系列標(biāo)稱值。

我們選用C=100uF。電容濾波電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，但是當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)會(huì)造成輸出電壓下降，紋波增加，所以電容濾波適合在負(fù)載電流較小和和輸出電壓較高的情況下使用，如各種家用電器的電源電路上，電容濾波是被廣泛應(yīng)用的濾波電路之一。此外，該方案還用到了二倍壓整流電路，由于篇幅限制，此處不再贅述。4．觸發(fā)器如圖5-5所示觸發(fā)電路，當(dāng)D點(diǎn)電勢(shì)-≥11V時(shí)，=4.5V，即二極管D1導(dǎo)通，且報(bào)警電路被觸發(fā)。圖5-5觸發(fā)器5.繼電器繼電器如圖5-6所示,它能反映一定輸入變量（如電流、電壓、功率、阻抗、頻率、溫度、壓力、速度、光等）的感測(cè)機(jī)構(gòu)（輸入部分）；又能對(duì)被控電路實(shí)現(xiàn)“通”、“斷”控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（輸出部分）；在繼電器的輸入部分和輸出部分之間，還有對(duì)輸入量進(jìn)行耦合隔離，功能處理和對(duì)輸出部分進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的中間機(jī)構(gòu)（驅(qū)動(dòng)部分）。感測(cè)機(jī)構(gòu)把感測(cè)到的參量傳遞給中間機(jī)構(gòu)，并和整定值相比較，當(dāng)滿足預(yù)定要求時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)便動(dòng)作，從而接通或斷開電路。本設(shè)計(jì)采用的是EMR011B03

，它的優(yōu)點(diǎn)是超小型、重量輕、線圈損耗功率低。圖5-6繼電器結(jié)構(gòu)圖作為控制元件，概括起來，繼電器有如下幾種作用：

（1）擴(kuò)大控制范圍。例如，多觸點(diǎn)繼電器控制信號(hào)達(dá)到某一定值時(shí)，可以按觸點(diǎn)組的不同形式，同時(shí)換接、開斷、接通多路電路。（2）放大。例如，靈敏型繼電器、中間繼電器等，用一個(gè)很微小的控制量，可以控制很大功率的電路。

（4）綜合信號(hào)。例如，當(dāng)多個(gè)控制信號(hào)按規(guī)定的形式輸入多繞組繼電器時(shí)，經(jīng)過比較綜合，達(dá)到預(yù)定的控制效果。（5）自動(dòng)、遙控、監(jiān)測(cè)。例如，自動(dòng)裝置上的繼電器與其他電器一起，可以組成程序控制線路，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。

本設(shè)計(jì)繼電器主要用作動(dòng)作元件，用來控制整機(jī)電路的通斷。整機(jī)電路圖通過對(duì)上述單元電路的綜合，我們得到整機(jī)電路圖：圖5-7整機(jī)電路圖所需元件如下表所示：表1元器件明細(xì)表名稱規(guī)格數(shù)量單相交流電源220V50Hz1變壓器20：11二極管1電橋1B4B421電解式電容100uF1電阻1kΩ1電阻10kΩ1電阻2kΩ1直流電源11V1常閉式電磁繼電器EMR011B031發(fā)光二極管紅1發(fā)光二極管綠1仿真與電路調(diào)試1．當(dāng)輸入電壓<250V時(shí)，變壓器二次側(cè)電壓,，。當(dāng)<13.2V時(shí),二極管不導(dǎo)通，電磁繼電器所在回路開路，負(fù)載所在回路保持接通。此時(shí)，紅燈熄滅，綠色發(fā)光二極管發(fā)出綠光，提示電路工作正常。如圖5-8所示。由圖我們可以看到UD在Ui=220V時(shí)已經(jīng)達(dá)到13.59V，說明時(shí)，,與上面由參數(shù)推算出的數(shù)據(jù)稍有偏差。圖5-8過電壓保護(hù)電路正常工作2．當(dāng)輸入電壓時(shí)，變壓器二次側(cè)電壓U2=1/20Ui,，但是由電壓表實(shí)際測(cè)量出的結(jié)果，此時(shí),說明了理論值與實(shí)際參數(shù)的偏差。當(dāng)時(shí)，二極管導(dǎo)通，且電磁繼電器工作，使負(fù)載所在回路斷開。與此同時(shí)，紅燈亮起發(fā)出警報(bào)，綠燈熄滅，提示電路出現(xiàn)過電壓。如圖5-9所示。圖5-9過電壓保護(hù)電路保護(hù)負(fù)載并報(bào)警3．當(dāng)電路出現(xiàn)了過電壓，且電壓恢復(fù)到正常范圍內(nèi)之后。此時(shí)電磁繼電器端電壓小于觸發(fā)電壓，電磁繼電器停止工作，負(fù)載所在回路恢復(fù)接通狀態(tài)，負(fù)載正常工作。同時(shí)，綠燈亮起，紅燈熄滅，表示電路恢復(fù)了正常工作狀態(tài)。如圖5-10所示。圖5-10電壓恢復(fù)正常后恢復(fù)給負(fù)載供電并解除警報(bào)小結(jié)我們的設(shè)計(jì)主要是對(duì)市電過壓自動(dòng)保護(hù)器的功能闡述和原理分析以及組成部分電路的分析。在當(dāng)今社會(huì)，電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，現(xiàn)代電子設(shè)備性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生的巨大變化目不暇接。我們已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展的信息時(shí)代。電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防事業(yè)、科技和人民的生活帶來了革命性的變化，人民的生活、起居、學(xué)習(xí)等都離不開電，通過此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)我了解到學(xué)以致用的