市电过压与欠压自动保护电路设计.doc

信息职业技术学院 毕业设计说明书(论文) 设计(论文)题目:市电过压与欠压自动保护 电路 专 业: 应用电子技术 班 级: 应电 08-2 学 号: 8 姓 名: _ 指导教师: _ 军 二一年十月九日 职业技术学院毕业设计（论文）任务书职业技术学院毕业设计（论文）任务书 学 生 姓 名 学号 0 班级应电 082专业应用电子技术 设计（或论文）题目市电过压与欠压自动保护电路 指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注 工程师院 设计（论文）内容： 1.根据要求设计具体电路，设计电路原理图； 2.具有灯光指示； 3.分析电路工作原理，选取合适器件和设备，重点元件原理分析和参数计算； 4.用仿真软件对电路进行仿真； 5.论文字数不得少于 6000 字。 进度安排： 第 36 周：收集资料，整理资料查找设备元件； 第 79 周：根据要求整理资料，设计相应单元电路； 第 1011 周：根据单元电路设计整体电路，并确定电路参数并对电路进行仿真； 第 1214 周：整理资料，编写论文； 第 15 周：论文答辩。 主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)： 1 陈有卿.实用 555 时基电路 300 例.北京：中国电力出版社，2004 2 肖景和.555 集成电路应用精粹.北京：人民邮电出版社，2007 3 梁廷贵.现代集成电路使用手册北京：科学技术文献出版社，003 4 赵保经.中国集成电路大全（第一版） 北京：国防工业出版社，1989 5 南京工学院主编电子线路（第一版） 北京:育出版社，1979 6 段九州.电路实用设计手册（第一版） 沈阳：辽宁科学技术出版社，2002 审 批 意 见 教研室负责人： 年 月 日 备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 目 录 摘 要 1 第 1 章 绪论 2 第 2 章 方案设计 3 2.1 设计概述.3 2.2 方案论证.3 2.2.1 方案一 3 2.2.2 方案二 4 2.2.3 方案选择 4 2.3 过压与欠压概述.5 2.3.1 过电压 5 2.3.2 欠电压 6 第 3 章 单元电路设计 7 3.1 变压电路.7 3.2 整流电路.8 3.2.1 单相桥式整流电路 8 3.2.2 主要性能指标 9 3.3 滤波电路.9 3.3.1 电容滤波电路10 3.2.2 主要性能指标 .11 3.4 稳压电路12 3.4.1 稳压二极管 .12 3.4.2 稳压二极管的选择 .12 3.5 显示电路12 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 I 3.6 触发电路13 3.6.1 555 定时电路14 3.6.2 555 的组成及功能14 3.6.3 由 555 组成的单稳态触发器 .16 3.7 控制开关18 第 4 章 仿真与调试 .20 4.1 仿真调试20 4.2 电路仿真20 4.2.1 正常工作仿真 .20 4.2.2 过压仿真 .21 4.2.2 欠压仿真 .23 第五章 实物制作 .25 5.1 印制电路板的制作25 5.2 焊接26 5.2.1 焊接的工艺要求 .26 5.2.2 焊接的操作 .26 总 结 .27 参考文献 .28 附录 1 整机原理图29 附录 2 元件明细表30 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 0 页 共 31 页 摘 要 本系统应用于市电欠压、过压自动保护，它能在市电高于限定电压或低于限定电 压时起自动保护动作，切断负载(用电设备)的工作电源，而在市电恢复正常后，又能 自动恢复供电。设计中主要有桥式整流电路、滤波电路、稳压电路、控制电路，电路 结构简单，工作原理清晰明了，性能优良。 此系统通过对电源信号的检测与判断，能自动切换电源，继而实现自动保护功能。 当市电电源市电电压低于 170V 或者高于 240V 时，系统自动切断负载的供电线路，还 可根据实际需要延时供电(主要运作元件为 555 定时器)，由此可防止用电设备因欠电 压或者过电压而损坏。 关键词关键词 555 定时器；欠压保护；过压保护；自动保护 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 1 页 共 31 页 第 1 章 绪论 选题的目的及意义:随着现在电气设备的普及，给工农业生产、国防事业、科技带 来了革命性的变化，加快了社会的发展，人们步入了电气化时代，也使人们的生活质 量得到了大幅度的提高，也越来越离不开这些电器设备。而电子产品越来越多，越来 越精密，要在相对稳定的电压电流下工作，使用寿命才不会缩短。目前我国的电网正 在普及，庞大的电网系统给了我们许多方便，但是随着接入电网的用户增多和用户电 器的多样化，也造成了电网电压的不稳定，经常产生浪涌电流，还有不可预料的过压 以及欠压状况对用户电器造成极大的危害，为了避免这些问题就需要研究如何在电压 变化较大时保护好用电设备，此次设计“市电过压与欠压自动保护电路”也由此孕育 而生。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 2 页 共 31 页 第 2 章 方案设计 2.1 设计概述 本设计介绍的是市电过电压与欠压自动保护器，它的主要功能是在市电电压低于 170V 或者高于 240V 时，自动切断负载的供电线路，以达到防止用电设备内因欠电压或 者过电压而损坏的目的。 2.2 方案论证 2.2.1 方案一 基于与非门 74LSOOD、555 定时器所设计的电路。其中由 4 个 74LSOOD 与非门构成 比较电路，由 555 定时器构成触发电路，为单稳态触发器，且具有延迟保护功能，此 设计主要由整流电路、滤波电路、稳压电路、取样电路、显示电路、比较电路和触发 电路组成，如图 1-1。 变压电路整流电路滤波电路稳压电路 取样电路比较电路触发电路 显示电路 图 1-1 电路结构图 电路原理：输入交流电经过整流电路进行整流，将交流电变换成脉动直流电。再 送入滤波电路进行滤波，滤除脉动成分，得到比较平滑的直流电压。考虑到电网电压 的波动和负载、温度的变化将使这个电压发生变化，因此在滤波电路后接入稳压电路， 使输出得到稳定的电压。而取样电路的所取的电压则是没有经过稳压的电压，能够随 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 3 页 共 31 页 时将取得的电压情况经过比较电路反馈到触发电路，此时由 555 定时器构成的单稳态 触发器及延迟保护开始工作，从而控制总开关达到市电过压欠压自动保护的目的。 2.2.2 方案二 基于集成运放电路所设计，它作为比较器以及触发器。运放电路的工作原理：给 它同相或者反相加一个固定基准电压，然后输出电压和这个基准电压进行比较，如基 准电压加在反相端，当输出信号小于这个基准电压，那么输出为低电平（相对的低电 平） ，反之则为高电平。电路图由变压电路，稳压电路，取样电路和运放电路组成如图 1-2。 变压电路整流电路滤波电路稳压电路 取样电路 运放电路 图 1-2 电路结构图 电路原理：输入交流电经过整流电路进行整流，将交流电变换成脉动直流电。考 虑到电网电压的波动和负载、温度的变化将使这个电压发生变化，接入稳压电路，使 输出得到稳定的电压。而取样电路的所取的电压则是没有经过稳压的电压，能够随时 将取得的电压情况反馈到运放电路，由运放电路输出从而控制开关达到市电过压欠压 自动保护的目的。 2.2.3 方案选择 方案一的优点在于对市电变化检测很精准，在检测各个参数状态的同时还能显示 市电的正常、欠压、过压状态，其中基于 555 定时器的设计还有延时保护功能，能最 优化实行保护，且经过不断的调试，电路的元件选择性很大，电路的适应性很强，缺 点在于要让电路进行正常工作需多次的调试。 方案二的优点在于电路结构简单，缺点在于不能显示各种状态，只能显示正常工 作与不正常，报警功能单一。因为集成运放电路的元件要首先已确定，所以只能选择 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 4 页 共 31 页 特定的参数元件，适应性差，而在电路的正常工作中也不能对突然的产生的电压变化 进行最优的保护，此时可能由于瞬时电压对电器产生损坏。 所以结合两种方案的优缺点，为更有效的进行市电保护选择方案一。 2.3 过压与欠压概述 2.3.1 过电压 电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压升高。属于电力系统中 的一种电磁扰动现象。电工设备的绝缘长期耐受着工作电压，同时还必须能够承受一 定幅度的过电压，这样才能保证电力系统安全可靠地运行。研究各种过电压的起因， 预测其幅值，并采取措施加以限制，是确定电力系统绝缘配合的前提，对于电工设备 制造和电力系统运行都具有重要意义。过电压分外过电压和内过电压两大类。 外过电压：又称雷电过电压、大气过电压。是由于大气中的雷云对地面放电而引 起的。分直击雷过电压和感应雷过电压两种。雷电过电压的持续时间约为几十微秒， 具有脉冲的特性，故常称为雷电冲击波。直击雷过电压是雷闪直接击中电工设备导电 部分时所出现的过电压。雷闪击中带电的导体 ，如架空输电线路导线，称为直接雷击。 雷闪击中正常情况下处于接地状态的导体，如输电线路铁塔，使其电位升高以后又对 带电的导体放电称为反击。直击雷过电压幅值可达上百万伏，会破坏电工设施绝缘， 引起短路接地故障。感应雷过电压是雷闪击中电工设备附近地面，在放电过程中由于 空间电磁场的急剧变化而使未直接遭受雷击的电工设备（包括二次设备、通信设备） 上感应出的过电压。因此，架空输电线路需架设避雷线和接地装置等进行防护。通常 用线路耐雷水平和雷击跳闸率表示输电线路的防雷能力。 内过电压：电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压。有暂态过电压、操 作过电压和谐振过电压。暂态过电压是由于断路器操作或发生短路故障，使电力系统 经历过渡过程以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现的过电压，又称工频电压升 高。常见的有：空载长线电容效应（费兰梯效应） 。在工频电源作用下，由于远距离 空载线路电容效应的积累，使沿线电压分布不等，末端电压最高。不对称短路接地。 三相输电线路 a 相短路接地故障时，b、c 相上的电压会升高。甩负荷过电压，输电 线路因发生故障而被迫突然甩掉负荷时，由于电源电动势尚未及时自动调节而引起的 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 5 页 共 31 页 过电压。操作过电压是由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的衰减较快持续时 间较短的过电压，常见的有：空载线路合闸和重合闸过电压。切除空载线路过电 压。切断空载变压器过电压。弧光接地过电压。谐振过电压是电力系统中电感、 电容等储能元件在某些接线方式下与电源频率发生谐振所造成的过电压。一般按起因 分为：线性谐振过电压。铁磁谐振过电压。参量谐振过电压。 2.3.2 欠电压 过电压是电力系统在特定条件下所出现的低于工作电压的异常电压降低，工频下 交流电压均方根值降低，小于额定值的 10%，并且持续时间大与 1 分钟的长时间电压变 动现象；引起欠电压的事件正好与过电压相反，某一大容量负荷的投入或某一电容器 组的断开（无功严重不足引起的欠电压）都可能引起欠电压。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 6 页 共 31 页 第 3 章 单元电路设计 3.1 变压电路 变压电路核心元件为变压器，其主要功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，作 为一种主要的软磁电磁元件，变压器在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。 电源变压器的最基本型式包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式耦合在 一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时，于另一组线圈中将 感应出具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程 度。 一般指连接交流电源的线圈称之为一次线圈，而跨于此线圈的电压称之为一次电 压。在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压，是由一次线圈与二次线圈问的 匝数比所决定的。因此，电源变压器区可分为升压与降压变压器两种,而变压器之匝数 比，一般可作为变压器升压或降压的参考指标。由于此项升压与降压的功能，使得变 压器已成为现代化电力系统之一重要附属物，作为升压器，提升输电电压使得长途输 送电力更为经济，至于降压变压器，它使得电力运用方面更加多元化。根据设计背景 以及要求，本设计中变压器定为降压变压器，如图 3-1。 T 250v 50Hz U1 U2 图 3-1 电源变压器 根据公式：U1/U2=W1/W2=I2/I1=K（K 为线圈匝数） ，以及根据设计的背景市电变动 波动大，所以选择电源变压器为中间带有抽头的降压变压器。如图 3-1 所示。其参数 为输入 250V/50HZ，两端的任何一端和中间抽头之间的电压为 21V，降压系数为 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 7 页 共 31 页 1/6， （即 U1=1/6U2） 。 3.2 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，所以需要一个整流电路把交流电变换 为直流电。整流电路通常由具有单向导电特性的半导体器件构成，利用其单向导通特 性则可以将交流输入电流转变成稳定不变的直流输出电流。 整流电路的主要性能指标有整流器输出电压平均值 U0、二极管的正向平均电流 I0 和最大反向峰值电压 URM 等。由于全波整流电路输出电压的直流成分较高，纹波成分 较小，所以本设计采用的是全波整流电路。 3.2.1 单相桥式整流电路 桥式整流电路是使用最多的一种全波整流电路。这种电路，只要增加两只二极管 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。 整流前 I 整流后 I0 图 2-1 桥式整流电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 8 页 共 31 页 如图所示，整流电路的基本原理就是利用二极管的单向导电性，将交流电变成一 个方向流动的电流。让交流电流的正半周到来时顺利通过二极管（正向导通） ，当交流 电流的负半周到来时（方向与正半周相反）二极管反向截止，则不能通过，如此循环， 就形成一个方向的电流。 桥式整流电路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 2-1 的电路图可知： 当正半周时，对D1、D3 加正向电压，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，对D2、D4 加反向电压，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。 但是无论在正半周期还是负半周期，流过 RL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或截止，在负载上得到了单一方向的脉动直流电压和电流。 3.2.2 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，输出的平均电流； （1）整流输出电压的平均值(Uo 为整流后电压平均值，U2 为整流前电压) (2-1) 20 9 . 0 UU （2）输出平均电流 (2-2) L RUI/9 . 0 20 在单相桥式整流电路中，由于四只二极管两两轮流导通，即每只二极管都只是在 半个周期内导通，所以流过每个二极管的平均电流是输出电流平均值的一半，即； (2-3)2/ 0 IIF 二极管的最大反向峰值电压： (2-4) 2 2URRM 根据二极管的选用条件，采用 IN4007，其参数为耐压为 1000V，整流电路为 1A， 耐温为 50。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 9 页 共 31 页 3.3 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 变化之中。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动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直 流电。 滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般采用无源元件电容或电感，利 用其对电压，电流的储能特性达到滤波的目的。由于电抗元件在电路中有储能作用， 并联的电容器在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低 时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容具有平波的作用；与负载串联 的电感当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当 电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感也有平波作用。它分 为电容输入式（电容器接在最前面）和电感输入式（电感器接在最前面） 。前一种滤波 电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很 大时，仅用一电感器与负载串联） 。 3.3.1 电容滤波电路 本设计采用单相桥式整流电容滤波电路，它具有以下几个特点：输出电压提高、 脉动成分减小、二极管导通时间大大减少，电路如图 3-1。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 10 页 共 31 页 图 3-1 单相桥式整流电容滤波电路 电路基本工作原理： 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 Uc=U2。 U2 达到最大值以后，按正弦2 规律下降，当 U2UC 时，D1、D3 的正极点位低于负极电位，所以 D1、D3 截止，电容只 能通过负载 RLC 放电，放电时间 T 放=RLC，放电时间常数越大，放电就越慢，U0 的波 形就就越平滑。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 U2 的峰值，过了该时刻以后，D2、D4 因正极电位低于负 极电位而截至，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是脉 动成分大大减小的直流电压。 3.2.2 主要性能指标 1.输出直流电压 U0 和负载电流的估算 当滤波电容较大时，一般按照经验公式来估算输出直流电压 U0 （3-1 20 2 . 1 UU ） 负载电流 （3-2 L RUI/2 . 1 20 ） 在单相桥式整流滤波时，输出直流电压 U0 约等为 U2。需要注意的是，在上述输出 电压的估算中都没有考虑二极管的导通压降和变压器副边绕组的直流电阻，在设计直 流电源时，当输出电压较低时（10V 以下）时，应该把上述因素考虑进去，否则实际测 量结果与理论设计差别较大，实践经验表明，在输出电压较低时，按照上述的公式的 计算结果在减去 2V（二极管的压降和变压器绕组的直流压降之和）可以得到与实际测 量相符的结果。 2.滤波电容器参数 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 11 页 共 31 页 在负载 RL 一定的条件下，电容 C 越大，滤波效果越好，电容量的值经过实验可按 下公式选择： (T 为交流电压周期) （3- L RTC/2 3） 电容器的额定耐压值： （3- 2 2UUC 4） 滤波电容器型号选定应查阅有关器件手册，并取电容的系列标称值。由于变压器 的输出电压波动会很大，所以选择容量较大的 330uf 的铝电解电容，额定耐压值为 1000V。 3.4 稳压电路 由于输入电压、负载、环境温度、电路参数等的不稳定性，往往电路因为这样而 不能正常的工作，为了使电路正常工作就需要稳压电路为电路提供一个稳定的输出电 压，此次设计所采用的稳压电路核心元件为稳压二极管。 3.4.1 稳压二极管 图 4-1 二极管稳压电路 根据稳压二极管的特性可以在U端得到稳定的电压，即是稳压二极管的反向击穿 电压，这样即可作为电路的中的稳压器使用。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 12 页 共 31 页 3.4.2 稳压二极管的选择 因为本设计的驱动电路和激发电路主要的供电要求为 12V，根据晶体管手册和晶体 管的特性可以得出二极管应选择 1N4742，最大工作电流为 76mA，最大耗损功率 1W，反 向击穿电压 12V。 3.5 显示电路 在现实生活中，为了更加直观的表示电器、电路的各种使用状态，人们往往会设 计一个显示电路来表示各种状态，显示电路的主要器件可采用 LED、LCD 等等。 本设计所选用的显示电路主要是由四个发光二极管（LED）组成。发光二极管的核 心部分是由 P 型半导体和 N 型半导体组成的晶片，在 P 型半导体和 N 型半导体之间有 一个过渡层，称为 PN 结。在某些半导体材料的 PN 结中，注入的少数载流子与多数载 流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN 结 加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的 二极管就叫做发光二极管，通称 LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电 压） ，电流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线， 光的强弱与电流有关。如图 5-1，此电路用以显示电路的各种状态。 图 5-1 发光二极管显示电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 13 页 共 31 页 电路基本工作原理：LED1、LED2、LED3 正端分别为稳定的 12V 输入，其中 LED3、 LED4 负端接地（即有电压 LED 就亮） ，LED1、LED2 负端分别由两个比较器输入高电平 或者低电平。由于市电的正常状态、过压状态、欠压状态时的比较器 U1D、U1B 的输出 不同，当为高电平时，LED1、LED2 不亮，当为低电平时，LED1、LED2 亮，由此可以显 示正常过压、欠压两种不同的状态。LED4 左端为 555 定时器输出的高低电平，右端接 地，当定时器输出为高电平时 LED4 亮，当定时器输出为低电平时 LED4 不亮，由此可 以表示 555 定时器的输出状态，如图 5-1。 3.6 触发电路 触发电路的核心组成部分是一个 555 定时器，下面主要介绍 555 定时器。 3.6.1 555 定时电路 555 集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器基本 R-S 触发器、放电管以 及缓冲器等，是模拟电路和数字电路的混合体，它可以很方便地构成各种脉冲电路， 如多谐振荡器、单稳态触发器等，应用极广。 3.6.2 555 的组成及功能 如图 6-1 所示，555 定时器的内部组成： 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 14 页 共 31 页 图 6-1 555 电路组成框图 （1）电阻分压器 由三个 5K 的电阻 R 组成，为电压比较器 C1 和 C2 提供基准电压。 （2）电压比较器，由 C1 和 C2 组成，当控制电压输入端 CO 悬空时，C1 和 C2 的基 准电压分别为和。Vcc 3 1 Vcc 3 2 C1 的反向输入端 TH 称为 555 定时器的高触发端。C2 的同相输入端称为 555 定TR 时器的低触发端 （3）基本 RS 触发器 我们也可以把 555 电路等效成一个带放电开关的 R-S 触发器 基本 RS 触发器由两个与非门 G1 和 G2 构成。比较器 C1 的输出作为置 0 输入端， 若 C1 输出为 0，则 OUT=0；比较器 C2 的输出作为置 1 输入端，若 C2 输出为 0，则 OUT=1。 是定时器的复位输入端，当=0 时，定时器的输出端 OUT 为 0。正常工作时，RR 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 15 页 共 31 页 必须使 为高电平。 （4）放电管 VT VT 是集电极开路的三极管，VT 的集电极作为定时器的引出端 D。 （5）缓冲器 缓冲器由点 G3 和 G4 构成，用于提高电路的负载能力。 1.工作能力 555 定时器的工作原理比较简单。 为置 0 输入端，当时定时器输出 OUT 为 0；当 等于 1 时，555 定时器有以 下功能： （1）当高触发端 ，且低触发端时，比较器 C1 输出为低电VccTH 3 1 VccTR 3 2 平；C1 输出的低电平将 RS 触发器置为 0 状态，即 Q=0 ，使得定时器输出 OUT 为 0，同 时放电管 VT 导通。 （2）当低触发端，且高触发端时，比较器 C2 输出为低电平，VccTR 3 1 VccTH 3 2 C2 输出的低电平将 RS 触发器置为 1 状态，即 Q=1，使得定时器的输出 OUT 为 1，同时 放电管 VT 截止。 （3）当高触发端，且低触发端，定时器的输出 OUT 和放电VccTH 3 2 VccTR 3 1 管 VT 的状态保持不变。 根据以上分析可以得出 555 定时器的功能表，如表 5-1： 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 16 页 共 31 页 表 5-1 555 定时器功能表 输入输出 TH TRR OUTVT 00导通 Vcc 3 2 Vcc 3 1 10导通 Vcc 3 2 Vcc 3 1 1不变不变 Vcc 3 2 Vcc 3 1 11截止 3.6.3 由 555 组成的单稳态触发器 单稳态触发电路如图 3-4 所示： 图 3-4 555 单稳态触发器 555 定时器构成的单稳态触发器的工作原理如下： 由 555 定时器和外接定时元件 R、C 构成的单稳态触发器。稳态时 555 电路输入端 处于电源电平，内部放电开关管 T 导通，输出端 OUT 输出低电平，当有一个外部负脉 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 17 页 共 31 页 冲触发信号加到 Vi 端。并使 4 端电位瞬时低于，低电平比较器动作，单稳态电Vcc 3 1 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。当充电到时，高Vcc 3 2 电平比较器动作，比较器 C1 翻转，输出 Vo 从高电平返回低电平，放电开关管 VT 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。波形图见图 3-5。 图 3-5 单稳态触发器波形图 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。 Tw=1.1RC 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。当这种单 稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止 暂态，重新计时。此外需用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电 势。 此时作为单稳态触发器，当触发脉冲 Vi 下降沿到来时，由于，而VccTRI 3 1 THR=0，由功能表可知，输出端 OUT 为 1，电路进入暂稳态，放电管 VT 截止，通过 R 对 C 充电，时，输出端 OUT 为 0，电路自动返回稳态，此时放电管导通，VccTHR 3 2 放电管 VT 放电，让电路迅速恢复到初始状态。 可以根据以上原理，构成单稳态触发器及延时保护，用于此电路的触发与延时。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 18 页 共 31 页 3.7 控制开关 本设计中的控制开关为继电器中的电磁继电器。电磁继电器一般由电磁铁、衔铁、 弹簧片、触点等组成的，其工作是用较小的电流、较低的电压去控制较大电流。较高 的电压的一种“自动开关” 。 电磁继电器由低压和高压工作电路两部分构成。只要在线圈两端加上一定的电压， 线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克 服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当 线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置， 使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中 的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器 线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点” ；处于接通状态的静触点称为 “常闭触点” 。 电磁继电器如图 3-5 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” 、 “断”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 机构便动作，从而接通或断开电路，实现自动控制功能。 图 3-5 继电器结构框图 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定值时，可以按触点组 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 19 页 共 31 页 的不同形式，同时换接、开断、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器时，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，从而实现自动化运行。 本设计中继电器主要用作动作元件，用来控制整机电路的通断，采用的是 EMR021B03，它是属于 D 型(即未通电时为接通，通电时断开)，它的优点还有超小型、 重量轻、线圈损耗功率低，且由于为电容型，还具有保护功能，如图 3-6。 图 3-6 继电器 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 20 页 共 31 页 第 4 章 仿真与调试 4.1 仿真调试 电路调试时，用一台调压器把市电调到允许的上限电压，然后将 R5 调到最下端， 再调 R4 使 LED1 刚好发光指示，并且继电器 K 吸合，此时的通过 R4 的取样电压刚好为 相对的高电平，随后，把调压器调到电源允许的欠压值，调节 R5（此时 R4 不变）使 LED1 刚好发光指示，同时继电器 K 吸合，此时的通过 R5 的取样电压刚好为相对的低电 平，电路即为调好。 需要注意的是：调节上限电压取样电位器 R4 时应从最上端往最下调，调节下限电 压取样电位器 R5 时与上面的调节方向正好相反，即分压比从大到小，以减小调节误差。 电路调节好后，仿真开始，调节电源电压为欠压或者过压状态，电路即正常工作， 要改变延时时间可改变 R6C2的大小即可。 4.2 电路仿真 本次设计采用的 Multisim 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以 Windows 为基 础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作，它包含了电路原理图的图 形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。 4.2.1 正常工作仿真 电路此时的显示状态为 LED3 发光，指示灯 X1 闪烁，继电器闭合，电路导通，如 图 4-2。 电路正常工作流程：220V 市电输入，经过变压、整流、滤波，向取样电路输送取 样信号，向触发电路、比较电路、显示电路提供稳定的 12V 电源。此时经过取样电路 R4、R5 分压，得到两个分信号，其中经过 R4 的取样信号为高电平，经过 R5 的取样信 号为高电平。经过 R4 的取样信号与高电平（12V）一起输入与非门 U1A，输出高电平 （5V） ，则 LED2 下端为高电平，即为不导通，LED2 不亮，同时 U1A 输出高电平与经过 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 21 页 共 31 页 R5 的取样信号输入 U1B，输出为低电平。U1B 输出低电平与 U1A 输出高电平一起输入 U1D，输出高电平，则 LED1 下端为高电平，即为不导通，LED1 不亮。此时 U1C 输入稳 定高电平 12V 与低电平，输出高电平，由此进入 555 定时器，单稳态触发器与延时保 护启动，延时保护后电磁继电器停止工作，电路正常工作。 正常工作时，电路的状态如图 4-2： V1 220 Vrms 50 Hz 0Deg D1 1B4B42 1 2 4 3 D2 1N4742A C2 100uF C3 10nF X1 12 V C1 330uF C4 220uF K K1 EMR021B03 0 18 17 16 6 1110 9 8 7 5 4 3 2 1 LED1LED2 LED4 R9 560k R4 100k Key=A43% R5 100k Key=A14% R7 1k 1% R8 510 5% R6 1k 5% R1 2k 1% R2 2k 1% R3 2k 5% T1 TS_PQ4_10 U1A 74LS00D U1B 74LS00D 14 U1C 74LS00D 15 20 U1D 74LS00D 12 A1 555_VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI 低 低 低 低 低 低 低 低 低 低 低 低 低 低 低 21 1319 12V 低 低 LED3 图 4-2 电路正常工作状态 此时 555 定时器的工作流程：555 定时器与 R4，C5 组成单稳态延时电路，延时时 间 T=1.1R6C2，约为 11 秒。初始由于 TRI=0V，即，而 THR=0 V，由功能表VccTRI 3 1 (详见 P15 表 6-1)可知，输出端 OUT 为高电平，电路进入暂稳态（此时电磁继电器工作， 电路断开） ，放电管 VT 截止，通过 R 对 C 充电，而当时，输出端 OUT 为VccTHR 3 2 0，电路自动返回稳态，此时放电管导通，放电管 VT 放电，电路迅速恢复到初始状态， 输出端 OUT 输出为 0，而此时，定时器输出 OUT 与放电管 VTVccTHR 3 2 VccTRI 3 1 保持不变。电磁继电器停止工作，电源电路接通。 4.2.2 过压仿真 电路此时的显示状态为 LED3 和 LED2 同时发光，指示灯 X1 为熄灭，继电器断开， 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 22 页 共 31 页 电路断开，如图 4-3。 电路过压工作流程：300V 市电输入，经过变压、整流、滤波，向取样电路输送取 样信号，向触发电路、比较电路、显示电路提供稳定的 12V 电源。此时经过取样电路 R4、R5 分压，得到两个分信号，其中经过 R4 的取样信号为低电平，经过 R5 的取样信 号为高电平。经过 R4 的取样信号与高电平（12V）一起输入与非门 U1A，输出低电平， 则 LED2 下端为低电平，即为导通，LED2 亮，同时 U1A 输出的低电平与经过 R5 的取样 信号输入 U1B，输出为低电平。U1B 输出的高电平与 U1A 输出的低电平一起输入 U1D， 输出高电平，则 LED1 下端为高电平，即为不导通，LED1 不亮。此时稳定高电平 （12V）与 U1B 输出的高电平输入 U1C，输出低电平，由此进入 555 定时器，单稳态触 发器与延时保护启动，延时保护后电磁继电器继续工作，电路断开。 过压时工作状态如图 4-3： V1 300 Vrms 50 Hz 0Deg D1 1B4B42 1 2 4 3 D2 1N4742A C2 100uF C3 10nF X1 12 V C1 330uF C4 220uF K K1 EMR021B03 0 18 17 16 6 1110 9 8 7 5 4 3 2 1 LED1LED2 LED4 R9 560k R4 100k Key=A43% R5 100k Key=A14% R7 1k 1% R8 510 5% R6 1k 5% R1 2k 1% R2 2k 1% R3 2k 5% T1 TS_PQ4_10 U1A 74LS00D U1B 74LS00D 14 U1C 74LS00D 15 20 U1D 74LS00D 12 A1 55