具有过压欠压保护的电子延时电路设计.docx
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具有过压欠压保护的电子延时电路设计
第4章具有过压欠压保护的电子延时电路工作原理-15-
4.1保护电路原理-15-
第5章主要元件介绍-17-
5.1NE555-17-
5.1.1引脚配置-18-
5.2KA-18-
5.3稳压二极管-19-
5.3.1稳压二极管原理及特性-19-
5.4整流桥堆-21-
5.4.1半波整流21-
5.4.2全波整流-22-
5.4.3桥式整流-24-
5.5降压电容-24-
5.5.1电容降压电源原理和计算公式-25-
5.6多谐振荡电路-26-
6.5电路板焊接与调试-31-
6.5.1焊接工作-31-
6.5.2调试工作-32-
致谢-40-
附件一-42-
具有过压欠压保护的电子延时电路的设计
具有过压欠压保护的电子延时电路的设计
学院（部）：
信息系
专业：
计算机科学与技术
学生姓名：
蔡小伟张强赵凯
班级：
10计科
指导教师姓名：
刘林生
职称副教授
最终评定成绩
2013年01月
摘要
本设计介绍了具有过压欠压保护的电子延时电路的原理（以电冰箱为例）:
1.过压保护当电源电压大于240V时，电路具有自动切断电冰箱压缩机电源；
2.欠压保护当电源电压低于190V时，电路能自动切断压缩机电源；
3.延时功能当电冰箱在使用过程中突然停电又恢复供电时，它能自动延时一定时间在接通电冰箱电源，从而起到保护器电冰箱压缩机的作用;
4.报警功能当电压过高、过低、突然断电突然来电时报警器响起；
具有过压欠压保护的电子延时电路仅采用2块555时基电路和少量分立元件，就实现上述4种功能。
而且具有过压欠压保护的电子延时电路具有自身功耗极小，具有较高的使用价值。
关键词：
555时基电路，过压保护，欠压保护，延时保护，继电器，报警器，整流电路，降压电路，电压取样电路，555多谐振荡电路，稳压管
第1章绪论
1.1具有过压欠压保护的电子延时电路研究背景
随着我国人们生活水平的提高，电冰箱已经逐渐成为我国广大居民家庭生活必备的一种家用电器。
然而，电冰箱的驱动电机在一定的电压范围内才能正常工作，供电电压过高或过低很容易导致绕组线圈烧毁。
因此，电冰箱易损坏或寿命短是困扰人们的一个问题。
究其原因，供电电压波动、瞬时断电是电冰箱损坏或寿命缩短的主要原因之一。
而对于绝大多数家用电冰箱来说，瞬时断电与电压波动几乎是不可避免的。
为此，我们利用变压器，再配以控制电路设计了一种自动稳压、自动延时的电冰箱保护器，该多功能电冰箱保护器能够根据负载电流判断线路中的各种故障并及时进行保护，最大限度的降低对人们日常生活的影响，是一种经济实用的电冰箱保护器。
在分析了目前国内外电冰箱保护器的研究进展与现状的基础上，设计了一种集过压、欠压和延时保护于一体的多功能电冰箱保护器。
根据冰箱保护器的价值和发展状况，并提出了设计的主要任务和内容。
然后分析了电网过、欠压及突然断电时，压缩机受到的影响，并根据其工作原理，绘制电路原理图，进行元器件的选择，设计相应的电路板并焊接电子元器件。
最后进行调试。
1.2具有过压欠压保护的电子延时电路研究意义
在我们的生活中，有些用电器特别是像冰箱一样在电网的电压不稳定的时候，很容易受到损坏，因此我们需要设计出一种具有过压欠压保护的电子延时电路来克服这些电压不稳定的情况，最终很好的保护了用电器。
为人们提高了生活质量，节约了用电器保护的成本。
具有过压欠压保护的延时电路适用于所有需要延时启动的电路。
第2章冰箱电路保护器的市场前景分析与调查
2.1冰箱发展情况
家用电器保护器是发电、供电、用电系统的重要器件。
它是跨行业、量大面广、节能效果显著的节能机电产品。
几乎渗透到所有用电领域，是工业、农业和国防建设及人民生活正常生产和安全工作的重要保证，在国民经济和节能事业中有着不可替代的重要地位和作用。
根据国家统计局的最新数据，2006年1～8月，我国实现冰箱累计产量1199.44万台，同比增长29.72％，累计销售额达到11.25亿元，同比增长高达55.36％。
2007年，中国电冰箱企业年销售量合计达到3079万台，同比增长19.56%，其中，内销1427万台，同比增长了13.6个百分点，增长率为5年来最高水平，冰箱产业再次进入高速发展期。
2008年前10个月冰箱总零售量344万台，同比增加13.95%；冰箱总零售额88亿元，同比增长23.15%。
来自中国家电行业协会的数据，目前中国冰箱、冰柜的总产能已经超过3000万台，而这两种家电产品全球总产量不过7000万台左右，中国冰箱业的产能已经占了全球的“半壁江山”。
外国巨头在国内市场的不断扩张和国内企业持续不断扩大的产能，使中国冰箱市场的发展日趋成熟。
但是，从我国目前的供电情况来看，电网设备还不够完善，供电电压不太稳定，电压波动值可能超出电冰箱的允许范围（我国规定供电电压稳定度应该在正负百分之十），而且局部断电又时有发生，根据以上种种原因就应运而生了电冰箱的自动保护器。
电冰箱的驱动电机在一定的电压范围内才能正常工作，供电电压过高或过低很容易导致绕组线圈烧毁；另外，当电冰箱正在工作时突然断电而又立即通电时，电冰箱的压缩机所承受的启动电流要比正常启动电流大好几倍，导致压缩泵内压力很高，使驱动电机负荷过载，也容易烧毁电机。
因此，电冰箱需要一个保护器对其进行检测和保护。
据不完全统计，全国运行的1KW-320KW低压电动机数量为6000万台，占电网用电量的70%以上，是工农业及商业系统中应用最为广泛的动力设备。
全国每年烧毁电动机数量约300万台，容量为10亿千瓦，每年仅电动机在烧毁过程中就耗电为数亿万度，修理费高达数100亿元左右，造成停工停产损失竟达数100亿元。
仅上述费用不算，还会造成电机修理后功率下降，耗电量大，性能变差直接影响企业正常生产。
并且《中华人民共和国节约能源法》也颁布了有关规定。
综上所述，电动机保护器不仅能保证工农业正常生产，提高生产效率和经济效益，而且在节能事业中也有着重要意义。
下图2-1可知冰箱在市场上占有很大的份额。
下图2-2可知冰箱在市场上关注度较高。
因此在图2-1与2-2基础上看，冰箱电路保护器是很有必要作为保护电器的产品来向人们服务的。
图2-1
图2-2
图为我国2005-2015年冰箱箱销量预测：
图2-3
由图可知2005年至2015年中国冰箱市场内销与外销均成增长趋势但内销趋势更大因此冰箱电路保护器在国内市场也是越来越好。
图2-4
图示为我国农村各类消费家电产品意向购买比例图，由图易知：
冰柜、空调、冰箱共占市场份额50.9%，可见其具有的市场在农村是很大的。
电冰箱是我国城市居民家庭普及率较高的家电产品，在20世纪八十年代末或九十年代初期经历了一次销售高峰期。
经过10年左右时间的使用，这些家电已经接近或超过了设计寿命期，标志着我国家电产品正在步入更新换代高峰期。
目前电冰箱的社会保有量已达1.2亿台，但由于我国人口基数大，新增人口多，地区消费差距大等特点，市场仍有一定的发展空间。
预计今后几年我国电冰箱的需求趋势为城市以更新为主，农村以普及为主。
我国电冰箱行业经过二十多年的迅猛发展，已成为当今世界上最大的电冰箱生产国。
近10年来，我国电冰箱生产快速发展，产量由1991年的470万台增加到2001年的1349万台，平均每年增长11.1%。
受市场供求关系的影响，近3年产量趋于稳定，产量一般在1200-1350台之间。
据了解，目前国内冰箱行业共有20多个品牌，年生产能力超过2500万台，而销售量不过800万台，产销严重不平衡。
技术方面，冰箱业更到了成熟阶段。
此两大因素已决定冰箱业变局是个缓慢过程。
同时，由于冰箱生产线投资巨大，动辄十几亿元，新品牌大多不愿背负固定资产折旧成本，而采用贴牌生产，价格下降空间就更加有限。
目前，冰箱行业不断地用新技术武装自己的产品，产业规模和产品结构已相对成熟。
冰箱业在经历了近20年的高速发展后，正逐步进入产业成熟期，21世纪我国冰箱工业技术发展趋势将呈现出无氟环保、节能省电、低噪音、便捷的设计、新颖外观等特点。
除此以外，冰箱在长寿命、多功能等方面的全面发展也将代替单一的冷藏功能而成为未来。
由于电冰箱普及率已达到很高水平，城市市场继续以更新换代为主题，高档次冰箱的需求进一步提高；农村市场仍处于开发启动阶段，经济型产品受到欢迎。
以更新换代为主题的城市市场和以普及为主旋律的农村市场，将在近一时期构成我国家电消费的“二元化”格局。
中等容积冰箱仍是市场需求主流。
从分容积段产品零售增长情况来看，161升-230升容积段冰箱的大幅提升带动了整个冰箱市场的增长；特别是161升-180升容积段备受市场看好；而160升以下小容积段和250升以上大容积段市场仍然相当有限。
可以看出，今后几年冰箱市场需求主流仍是中等容积冰箱，大容积冰箱增长幅度不大，小容积冰箱等不被市场看好。
市场竞争主要集中在价格和产品技术上，充分考虑个性化需求的新产品受到市场欢迎。
图为某地2007-2009年冰箱销量统计图
图2-5
图2-6
图2-5与过冰箱2-6知我国冰箱销量与日俱增因此冰箱电路保护器也是市场很庞大的。
1、“三农”政策自从今年3月14日人大正式通过，今年为“三农”安排的国家财政支出为3397亿，在中央财政每支出6.5元中就有1元花到了农民身上，农民负担减轻了，农民收入增加了，农村的的消费能力有了显著提高。
2、随着改革开放的进一步深入，随着农村农电网的成功改造，农村用电问题也得到了解决，为农村家电消费提供了保障。
3、彩电行业是家电行业中最早关注农村市场的产品，在90年代中期就已重视农村销售渠道的开发，将营销职能的下移，通过在各地级市设立了经营部或分公司，以庞大的人力投入、高性价比设计的产品投放、密集的广告和终端推广来撬动农村市场这快土地，从而使农村的彩电销售在二十世纪九十年代末期和二十一世纪初期达到了销售颠峰。
4、连锁卖场迫于竞争压力而不断进行的跑马圈地，导致在已处于饱和状态的一二级市场中，连锁卖场单店年销量达到1500台以上的网点已是凤毛麟角，拿长沙市区来说，人口175万，家电销售门店数量高达26个，高投入，低产出，投入产出比严重失调，严重下滑的单店贡献率把各冰箱品牌拖入到了亏损的泥塘，导致一二级市场成了“食之无味，弃之可惜”的鸡肋，而三四级市场冰箱的销售状况正处于彩电行业90年代中后期所处的快速增长阶段，所以三四级农村市场成为或即将成为各品牌销量的支撑点利润主要来源。
5、据统计目前全国有地级市500个左右，县级市2100多个，有5万多个乡镇，农村家庭占家庭总量的67.6%，截至2011年，全国三四级市场的家电容量为2300多亿元。
另外据家用电器协会统计显示，农村冰箱的拥有量很低。
但从当前农民收入水平增长情况看，已开始接近家用电器普及化的要求，增长潜力极大，以此冰箱电路保护器也有很大的潜在市场。
2.2国内外电机保护器的发展状况
电动机故障诊断和保护技术的发展可划分为保护理论的发展和保护器的发展。
从时间上划分，电动机保护器的发展大致可划分为三代:
第一代是以传统的机电式继电器为主，包括:
熔断器、热继电器、电动机保护用自动开关及双金属片式温度继电器等。
熔断器是最古老、最简单、最廉价的保护电器。
它的主要缺点在于只适用于电动机的短路保护，而不能用于电动机的过载保护。
在保护三相异步电动机时，也常常由于某一相熔断器熔体熔断而造成三相异步电动机断相运行。
故IEC国际电工委员会规定，凡安装熔断器的场合，必须加设断相保护。
热继电器作为传统的电动机保护装置己有80多年历史。
在结构和性能上经历了3～4代日臻完善的发展过程。
它是利用电流流过热元件时的热效应引起双金属片弯曲使机构动作的。
其优点是结构简单、价格低廉、使用方便、有较好的反时限特性。
比较适合于恒定负载、连续运行情况下的过载保护。
但是，若用来保护频繁起动或重载起动以及发生过多次短时过载的电动机，保护效果欠佳，另外，只能对电动机的过载实现保护，不具备短路保护功能（由于存在热惯性），断相保护的可靠性要受异步电动机负载率的影响。
近年来，国内外不断开发出具有断相保护功能的三极热继电器，在一定程度上改善了断相保护的效果。
热继电器保护的准确度较差，一是由于保护特性有一定的分散性，且不太稳定，二是对环境温度、机械振动等环境因素比较敏感。
热继电器尽管存在着许多不足之处，但由于其成本低，使用简便，目前在小型电动机的保护中仍被广泛地选用。
电动机保护用自动开关是一种具有过载和短路保护等保护功能的电动机保护装置，一定程度上可取代熔断器和热继电器的组合。
它最突出的特点是在进行短路保护时不会成异步电动机的断相运行，并且分断后的停机时间短。
第一代电动机保护用自动开关中的电动机过载保护仍采用双金属片结构，存在着与热继电器相同的弊端。
双金属片式温度继电器是一种埋置在电动机绕组中，直接反映电动机温度的保护装置。
从理论上讲，温度保护是提高电动机可靠性最直接、最有效的方法，对任何原因造成的绕组温度过高均能实现有效的保护。
因此，特别适用于由于通风不良、环境温度过、起动次数过于频繁、变动或冲击性负载等原因引起的电动机过热保护。
但是，由于体积较大，安装工艺比较复杂，动作缓慢、返回时间长，不适合在小型电动机中使用。
第二代是采用电子元件和中小规模集成电路的电子式电动机保护器。
它包括电子式电动机综合保护器及电子式温度继电器等等。
电子式电动机保护装置是随着电子技术的速发展应运而生。
电子式电动机综合保护装置是由电子元器件组成，不存在机械误差和磨损,因此，动作速度快、精度和灵敏度高，寿命较长，耐冲和振动，整定简便。
我国这种装置的研制始于20世纪80年代，到20世纪90年代初期，一批保护原理各异、性能良好、价格较低廉的产品己陆续研制、生产并开始推广应用。
虽然各种电子式保护装置的原理各不相同，但一般均具有过载、断相、短路、三相不平衡等多种保护功能。
电子式保护装置从总体上来看，其性能价格比己接近或优于传统的机电式保护装置。
早期因价格过于昂贵的束缚也随着电子元器件价格的降低而逐渐消失。
迄今为止，被保护的对象也从大、中型电机为主转变为以为数众多的中、小型电动机为主。
可以预料它在中、小型电机保护领域的应用势头不会减弱。
由于电子式电机综合保护装置属于纯硬件电路结构，各种功能特别是它的保护特性都是由相应的硬件电路实现的。
所以，仍存在着扩展功能不够灵活，保护特性不易改变，灵敏度及电流的整定范围受到硬件的限制和电动机运行状态的监控不够完善等一些缺陷。
电子式温度继电器是一种将温度传感器埋置于电机绕组内，借助于电子装置对电机绕组温度进行保护的一种电动机保护电器。
温度传感器多采用温度系数大、灵敏度高、体积小和具有明显的开关特性正温度系数（PIC）热敏电阻。
由于传感器安置在电动机内部温升较高的部位，直接反映电动机内部的温度。
因此，从理论上讲，电子式温度继电可以保护由各种原因引起的绕组温度过高的电机。
我国己于1993年4月1日颁布了《旋转电机装入式热保护》国家标准。
然而，由于温度传感器存在着惯性（尽管西门子公司宣称其生产的PTC热敏电阻的时间常数已低于2秒，在起动、堵转及短路时存在着一定的保护滞后。
另外，安装位置的复杂性（至今未见有绕组温度高点的确切描述）、保护温度选择的不确定性和传感器维护的困难，使得其应用受到一定的限制。
第三代是采用微处理器的智能型电动机保护器。
进入80年代以来，微电子技的发展和应用对电动机保护在原理上的概念更新、装置上的结构变革、性能上的完善、功能上的扩展等方面起着强大的推动作用。
微处理器技术进入电动机保护领域后，使基于微处理器的电动机保护装置具有了优异的保护特性、完善的功能扩展和智能化的监视与控制。
经过多年的发展，国外一些著名的电器公司纷纷推出以微处理器为核心智能化电机保护器。
如:
德国SIEMENS公司的3UBI系列继电器、日本FUJI公司QA系列继电器、美国ABB公司的SPEM继电器、英国CEC-ALSHOM公司的GEMSTART智能控制继电器.国内也有许多单位在进行研制（如上海电器科学研究，南京自动化研究所等）。
各类产品虽然型号各异、名称不同，但其核心功能是一致。
除基本的保护功能外，一般还具有自检、自诊断、故障参数（如故障值、故障类型）的记忆、保护参数的整定（包括保护方式的选择，保护特性的改变等）等多种功能。
进入20世纪90年代以来，由于微机通讯技术和网络技术的发展，国外一些公司又提出了兼有监控、保护功能的智能化保护器。
它能与中央控制系统进行双向通讯，形成监控、保与信息网络;也能监视电动机各种运行参数，不但能测量当前数据，并能对过去的运参数及故障情况做出统计，帮助操作人员做出决策定以减少线路和设备的停机和维修间。
大大提高了整个系统的可靠性。
电动机的故障诊断和保护理论，多年来一直是学术界研究的热点。
其发展过程可归为四个方面。
电动机常规保护理论。
电动机常规保护理论的基本原理是以电流幅值的增加作为故判据的。
从原理上讲，它只能反应对称故障，对非对称故障（如:
断相、接地、不平运行等）不能及时有效地保护。
究其原因，一是各类非对称故障不一定出现明显的过电流，只有电动机负荷率大于70%时，健全相才会出现过流;二是非对称故障对电动的危害不只表现在过流引起的过热效应，更主要的是负序电流效应，因此仅以过流来反映故障严重程度是不够的。
基于对称分量法的电动机保护理论。
非对称故障电流从理论上可将其分解为正序、负序和零序电流分量。
其中正序分量可以反映电动机过流程度，负序分量和零序分量则反应非对称故障电流的程度。
因此，通过检测负序和零序电流分量来判别各类非对称障具有很高的灵敏度及可靠性。
近年来国内外研制的微机型电动机保护装置大多基于对称分量法。
然而，基于对称分量法对电机内部故障的分析只能定性，不能定量。
基于先进信号处理方法的电动机保护理论。
Fourier变换的频谱分析技术是较早应用于电动机故障诊断的信号处理方法。
20世纪80年代提出的小波理论在电动机故障诊断中也有不俗的表现。
人工智能技术、模糊数学、神经网络等先进信号处理方法在电动机故障诊断中也在进行应用研究。
基于多回路理论的电动机保护理论。
1987年由清华大学高景德教授、王祥晰教授等建立并发展起来的交流电机多回路理论为电机内部故障的定量分析提供了一套新方法。
多回路理论以每个电机绕组为研究对象，能够考虑多种谐波及绕组不对称等特殊情况，特别适合于研究电机内部故障的机理和定量分析。
在实际应用中得到了较好的结果。
交流电机多回路理论和各种先进信号处理方法结合业已成熟的微机保护技术，可以电动机的在线监测、预防控制、缺陷报警、故障诊断、故障保护及事故后故障分析、故障定位等功能综合于一体，实现电动机运行全过程的在线监测、诊断与综合保护。
这也是今后电机保护的发展方向。
第3章具有过压欠压保护的电子延时电路简介
3.1简介
具有过压欠压保护的电子延时电路具有保护电压范围可调；过压欠压自动保护；操作安全方便；绿色环保，极低能耗等功能；适用于各种电器设备，可单独使用，也可外接排插；全面保护电器安全。
第4章具有过压欠压保护的电子延时电路工作原理
4.1保护电路原理
具有过压欠压保护的电子延时电路如图3-1所示。
VD2-VD5，C1，C2，R0和VZ1组成电容器降压和桥式整流和稳压电路，输出12V稳定直流电压，供给时基电路IC用电和作为基准电压。
VD1，R1，RP1，RP2和C3组成取样电路，RP1为过压取样电位器，RP2为欠压取样电位器。
当交流电网电压在正常范围时，RP1取样电压较低，VZ2截止，所以三极管VT和二极管VD7均处于截止状态；同时RP2取样电压高于IC2的2脚电压，所以VD6也截止。
IC的2脚由于R4的作用而处于高电位，他的阈值端第6脚也为高电位，IC处于复位状态，输出端第3脚为低电位，指示灯LED1（绿灯）发光，继电器KA不工作，它的常闭触点KA接通电冰箱电源，电冰箱正常工作。
当电网电压超过240V时，RP1取样电压增高，VZ1击穿，三极管VT导通，其集电极输出低电平，VD7导通，使IC的触发端2脚处于低电平，IC被置位，3脚就输出高电平，LED1熄灭，LED2（红色）发光，KA吸合，长闭触点KA打开，电冰箱电源被切断，起到保护作用。
电路设置R7，C6是为了减少保护器自身功耗，它是利用继电器维持电流小于吸合电流这一基本原理而设计而成的。
当IC得3脚由低电位突变为高电位时，由于电容C6两端电压不能突变，因此，有较强的充电电流流入KA线圈，使KA迅速动作吸合。
当KA吸合后，它的维持电流经过R7而来，使KA仍保持可靠吸合。
采用这种措施不仅能有效地减少保护器自身功耗，也有利于12V基准电压的稳定。
由于电容降压稳压电路不同于变压器降压，它的负载能力较小。
若取消R7，C6，则IC的3脚由低电位变为高电位时，12V输出电压就会明显跌降，造成取样基准电压不稳。
当交流电网电压低于180V时，RP2取样电压下跌，VD6导通，使IC的2脚电平低于1/3VCC,IC也会被置位，3脚输出高电平，KA吸合，常闭触点断开，切断电冰箱电源，实现欠压保护。
如果电网停电后第二次复电时，由于C3电位上升速率慢于C2，RP2取样电压较低，和欠压保护一样，IC也被置位。
虽然C3电压很快恢复正常，RP2取样电压增高，VD6截止，但IC不能马上复位，这是由于电容C5的作用。
只有待C5上端电位经R5充电到2/3VCC，且电网电压在正常范围时，即2脚电平大于1/3VCC时，IC才复位，LED2熄灭，LED1发光，继电器KA释放，常闭触点KA才接通电冰箱电源，从而实现断电复电延迟保护。
当电压过高或过低时IC第三脚输出高电平红灯亮的同时给NPN1高电位三极管导通多谐振荡电路（IC1）工作产生方波驱动无源蜂鸣器工作，蜂鸣器响起报警。
当电压在正常范围之内时，IC第三脚产生低电平LED2（红灯）灭，同时给NPN1低电位，NPN1管子截止，使得IC1多谐振荡电路无法工作，因此无源蜂鸣器不响起。
绿灯亮，用电器工作起来了。
第5章主要元件介绍
5.1NE555
NE555（TimerIC）为8脚时基集成电路，大约在1971年由SigneticsCorporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的TimerIC，在往后的30年中非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路，后来基于CMOS技术版本的TimerIC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前都可直接的用。
图5-1
主要特点：
1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。
3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
5.1.1引脚配置
555引脚图
555的内部结构可等效成23个晶体三极管.17个电阻.两个二极管.组成了比较器.RS触发器.等多组单元电路.特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器.为上.下比较器提供基准电压.所以称之为555.555属于CMOS工艺制造.
555引脚图介绍如下
图5-2
1地GND,2触发3输出4复位5控制电压6门限（阈值）7放电8电源电压Vcc
Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电
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