电压越限报警器1Word文档格式.docx
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portions,
adjust
the
current
section,
filtering,
judge
part,
an
part.
The
composition
uses:
transformers,
bridge
rectifier,
filter,
double
comparator,
and
a
horn
alarm.
Transformers,
filter
three
mainly
to
judgment
circuit
input
voltage,
judged
by
our
measured
desired
if
too
low
or
high
alarm,
otherwise
normal
operation.
Keywords:
limit;
rectifying
filtering；
comparator;
alarm;
前言：
生活中，我们所获得的电压往往是22V的稳定电压，但我们不可避免的是如果由于电路短路，负载的增加或减少，电路被雷击或者是因为其他原因使得电网中的电压突然增大或减小，从而烧坏我们家里的洗衣机，电视机，电脑的一些家用电设备，因此，为了避免用电器的输入电压的突然地增加或减少，可以用安装一个电压越限报警器，在电压高于或低于用电设备的输入电压时就会报警，提示用户立刻切断电源或采取一定措施保护我们的用电设备不会被烧坏。
本次课程所设计的电压电压越限报警器的基本功能是能对输入电压的大小用电路中的电压双限比较器与我们所设定的标准电压进行比较，判断出输入电压是否
高于或低于我们所设定的标准电压。
比较的结果用输出电压的高和低来表示。
如果在我所规定的电压范围内，则电路正常运行，如果电压不在我们的规定范围之类，则报警器启动，并发出报警。
1系统概述
1.1设计要求
本次课程设计的基本任务
1、电压双限比较器判断电压是否越限；
2、变压器将高压变为低压；
3、桥式整流滤波器将交流电变化为直流电；
4、当电压越过标准电压时报警器报警；
1.2系统结构与设计方案
1.2.1方案说明
本次所设计的电压越限报警器，由变压器获取降压部分，单项桥式整流器调整电流部分，电容滤波部分，电压双限比较器判断报警部分，报警部分。
变压器从外部获取电压，并将电压调整为低压，同时传至桥式整流器的输入端，通过桥式整流器，将交流电流转化为直流稳定的电流，再将电压输入到判断报警电路，判断电压是否越限的电路时由两个运算放大器组成的电压双限比较器，比较输入电压与我们的所设定的标准电压，如果电压高于或低于我们所设定的标准电压，则电压双限比较器则输出一个较低电压，如果输入电压在我们的标准电压范围内，则电压双限比较器就输出一个较高的电压，通过在电压双限比较器的输出加一个数字反相器，将以上的两个输出电压反相，再输入到由一个额定电压较低的喇叭内，如果总电压越限就会报警。
1.2.2方案选择
1、滤波电路的选择：
<
1>
倒L形滤波电路
图1.1
2>
C形滤波电路
\
图1.2
2、电压比较电路的选择：
采用发光二极管作为判断报警标志
图1.3
采用双限电压比较器作为电压越限的电路
图1.4
3、电路的选择
由于电感滤波整流管的铁芯的存在，笨重体积大，容易意气电磁干扰。
一般只适用于大电流的场合。
所以我们选择了C形滤波电路
在电压比较电路电路的选择中，由于由发光二极管组成的电压比较电路的抗干扰能力差，只适用于低电压的电路，并且输出波形也不稳定。
我们将滤波电路和电压比较电路组合可以的到四种电压越限报警电路的内部电路，即四种方案。
但综合以上因素，我们选择了电容滤波电路
1.2.3电路框图
电压越限报警器的电路框图如下图所示，其中包括获取降压部分，调整电流部分，滤波部分，判断报警部分，报警部分。
图1.5
2.各部分的设计
2.1变压器的设计
变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。
变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。
图2.1
变压器：
有三个基本公式：
1、输入功率=输出功率有
P1=P2（2-1）
2、原副边每匝电压相等有
U1/n1=U2/n2（2-2）
3、原副边安匝平衡有
I1*n1=I2*n2（2-3）
*在本系统中n1:
n2的比值为10:
1
2.2整流滤波的电路
2.2.1电路组成
（1）整流电路：
利用具有单向导电性能的整流元件，把方向和大小都变化的50Hz交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。
图2.2
（2）滤波电路
滤波电路：
利用储能元件电容器C两端的电压（或通过电感器L的电流）不能突变的性质，把电容C（或电感L）与整流电路的负载RL并联（或串联），就可以将整流电路输出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。
在小功率整流电路中，经常使用的是电容滤波。
图2.4
负载R为接入（开关S断开）时的情况：
设电容器两端初始电压为0，接入交流电源后，当为正半周期是，通过向电容器C充电；
为负半周期时，经过向电容器C充电，充电的时间常数为：
（2-5）
式中包括变压器二次绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。
由于一般很小，电容器很快就充电到交流电压的最大值，极性如图所示。
由于电容器无放电回路，故输出电压（即电容器C两端的电压）保持在，输出为一个恒定的直流电压，如图中wt0部分所示。
图2.5
其中黄色为输入正弦波形，蓝色为整流后波形，红色为电容滤波后波形
（3）由变压器获取降压部分，单项桥式整流器调整电流部分，电容滤波部分合成的电路图为：
图2.6
接入负载（开关S合上）的情况：
设变压器二次电压从0开始上升（即正半周开始）时接入负载，由于电容器在负载末未接入前充了电，故刚接入负载时<
，二极管受反向电压作用而截止，电容器C经放电，放电的时间常数为
（2-6）
因为一般很大，故电容两端的电压按指数规律慢慢下降。
其输出电压,如图所示。
与此同时，交流电压按正炫规律上升。
当>
时，二极管，受正向电压作用而导通，此时经二极管，一方面向负载提供电流，另一方面向电容器C充电[接入负载时的充电时间常数‖≈很小]。
二极管的导电角，通过二极管的瞬时电流很大，如图所示。
电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖有效值越大。
在纯电阻负载时，变压器二次电压的有效值，而有电容滤波时
负载平均电压升高，纹波（交流成分）减小，且越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。
为了平滑的负载电压，一般取
（2-7）
式中T为电源交流的周期。
负载直流电压随负载电流增加（减小）而减小。
随的变化关系称为输出特性或外特性。
当=，即空载时C值一定，=，有
当C=0，即无电容时
咋整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间常数满足式（10.1.10）的关系时，电容滤波电路的负载电压与的关系约为
总之，电容滤波电路简单，负载直流电压较高，纹波也较少，他的缺点是输出特性较差，古适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。
2.3电压双限比较器
2.3.1.电压双限比较器的电路说明:
由两个LM339组成的，当输入电压小于时则电路输出一个低电压，当输入电压小于并且大于的时候，输出电压为，当输入电压大于时，则输出电压为.
图2.7
2.3.2电压双限比较器的输出图形
由LM339组成的电压双限比较器电路
其工作原理为电路由两个LM339组成一个窗口比较器。
当被比较的信号电压Uin位于门限电压之间时（UR1<
Uin<
UR2），输出为高电位（UO=UOH）。
当Uin不在门限电位范围之间时，（Uin>
UR2或Uin<
UR1）输出为低电位（UO=UOL），窗口电压ΔU=UR2-UR1。
它可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间。
图2.8
2.4电压报警电路
2.4.1由于通过电压双限比较器输出的波形为下图
图2.9
但我们需要的是但电压在和之间的时候不报警，而是在他们之外报警，所以我们需要的到时是在和之外输出的为高电平，如下图
图2.10
所以我们要在电压双限比较器的输出端加一个数字反向器，使得我们能够得到以上输出波形.
2.4.2报警部分的电路
报警部分由一个发光二极管和一个喇叭组成，但电压不在我们的标准电压范围之类，则发光二级管发光，喇叭也会发出声音来。
图2.11
2.5电路的相关参数计算
2.5.1负载上的直流电压和直流电流的计算
用傅里叶级数对图中的输出电压的波形进行分解后可得
（2-4）
式中恒定分量即为负载电压的平均值，因此有
（2-5）
直流电流为
（2-6）
由式（2-4）看出，最低次谐波分量的振幅为，角频率为电源频率的两倍，
即。
其他的分量角频率为偶次谐波分量。
这些谐波分量总称为纹波，它的叠加于直流分量之上。
常用纹波系数来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即
式中为谐波电压总的有效值，它表示为
（2-8）
式中为,为二次、四次谐波的有效值。
有以上公式可以得出桥式整流电路的纹波系数.由于中存在一定的纹波，故需用滤波电路来滤除纹波电压。
2.5.2整流元件的计算
1.在桥式整流电路中，二极管是两两导通的，所以流经每哥二极管的平均电流为：
（2-9）
2.二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压可以从图中看出在正半周时，导通，截止。
此时所承受的最大反向电压均为的最大值，即：
（2-10）
同理，在的负半周期也承受同样大小的反向电压。
3.一般电网电压波动范围在正负0.1之间。
实际上选用的二极管的最大的整流I电流和最高反向电压U应留有大于0.1的余量。
2.6特殊元件介绍
b.LM339的介绍：
LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：
1）失调电压小，典型值为2mV；
2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±
1V-±
18V；
3）对比较信号源的内阻限制较宽；
4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；
5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；
6）输出端电位可灵活方便地选用。
LM339集成块采用C-14型封装，图1为外型及管脚排列图。
由于LM339使用灵活，应用广泛，，它们的参数基本一致，可互换使用。
LM339类似于增益不可
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