欠电压保护电路的设计.docx
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欠电压保护电路的设计
欠电压保护电路的设计
日常生活中，我们不可避免的要用到各种各样的电气设备。
由于电网电压的波
动，在较高的电压下很有可能使电器设备受到损坏，而在低压时电器设备不能正
常工作。
在这种情况下就需要有一个电压报警指示设备，其可以及时准确地对电
网电压进行分段指示并对过、欠压进行指示报警，从而实现保护电器设备的目的。
电网电压可分为三个不同范围，分别为：
电压低于190V；电压处于190V到250V
之间；电压高于250V这三个状态。
当电压低于190V时，用电器处于过欠电压状
态；当电压处于190V到250V之间时，用电器处于正常状态；当电压高于250V
时，用电器处于超过压状态。
报警指示的表现状态为：
在正常状态下，报警器的
正常指示灯亮（设计选用的发光二极管的颜色为绿色）；在欠压状态下，代表异
常的指示灯亮（设计选用的发光二极管的颜色为红色）代表正常状态的指示灯不
亮。
为解决欠电压状态下电网电路及设备的保护，提出了该设计任务。
一、总体方案的选择
设计并制作一个欠电压电网电压异常报警器。
1.用放光二极管制作指示器。
2.使用电压比较器实现欠电压时的比较。
3.设交流电网电压的正常波动范围为190V～250V（单相交流有效值），在此范
围内，报警器电路亮绿灯。
当电网电压低于190V时，报警电路亮红灯，实现电
路报警。
4.由于本设计为欠电压保护电路，故忽略超电压状态，即只考虑电网电压是否
大于欠电压临界值（190V）。
要实现任务中提出的各个功能，需要分模块设计电路：
一、电源模块——对整
个电路提供电源；二、采样及比较模块——通过采样电压与比较电路的基准电压
比较，将所得的输出信号传送给报警电路；三、报警模块——电压正常或异常时，
代表不同状况的指示灯亮，进行报警。
1．拟定系统方案框图
采样电路
报警电路
比较电路
降压电路
整流滤波
（1）方案一：
采用10TO1的变压器直接降压，并用1A／50V的桥式整流电
路进行桥式整流，用RCπ型滤波器进行滤波，最后用蜂鸣报警器实现报警功能。
（2）方案二：
采用10TO1的变压器直接降压，用半波整流电路整流，用电容
滤波电路滤波，最后利用不同颜色的发光二极管实现报警功能。
2．方案的分析和比较
降压电路：
本设计要监测电网电压，故直接采用10TO1的变压器降压，输出
22V的交流电。
整流电路：
由于半波整流输出的电压脉冲大，波形不连续，所以不可取。
从而选
择简单，输出的电压完整的桥式整流电路进行整流。
滤波电路：
电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，并配合后级的电解电
容和瓷片电容使输出的直流电压更加平滑，纹波电压更小，所以采用RCπ型滤
波器进行滤波。
比较电路：
由于设计需要，我们只需比较电网电压瞬时值与电网电压欠电压临界
值的大小，所以直接选用单门限电压比较器，将门限电压设为电网电压欠电压临
界值在当前电路下的采样电压的相应值，即可实现电压比较。
报警电路：
蜂鸣报警器与发光二极管都能实现报警功能，但是，发光二极管工作
原理简单，易于实现，故选用不同颜色并且极性相反的两个发光二极管来作为报
警电路。
二、单元电路的设计
1.电源模块的设计
电源模块说明：
电源模块采用10TO1的变压器降压，1A／50V桥式整流电路进行整流，RCπ型
滤波器进行滤波。
当通以220V的交流电压时，经过变压器降压后，电压测量值
为21.978V；通过由4个相同型号的二极管组成的桥式整流电路后，得到14.725V
直流电压；再通过RCπ型滤波器和LM7812与LM7806的滤波、稳压功能，最
终得到6.012V的直流电压。
此时即可根据电源模块的输出电压算出门限电压，
V
=6.012*190/220=5.19V
2.比较模块的设计
由于本设计要求实现欠电压报警、保护的作用，故可以选择简单易于实现的单门
限电压比较器来实现比较功能。
单门限电压比较器采用简单的运放OPAMP的反相
输入端接一个直流电源，其值即为电源模块中所确定的门限电压；同相输入端
则端接电源模块的输出电压。
从而实现电网电压经变压器、整流电路、滤波电路
后与其基准值相比较的目的。
输入从同相端进，当电网电压比基准电压大时，比
较器输出电压V
向正向跳变；当电网电压比基准电压小时，比较器输出电压V
向负向跳变；跳变的高度由报警电路中的稳压二极管所决定。
比较模块电路图
3.报警模块的设计
报警模块电路图
报警模块说明：
报警模块中，共并联了三条支路。
第一条支路由两个对接的型号为02BZ2.2的稳
压二极管组成，它使电压比较结束后，比较器的输出电压V
能够向正负两个方
向跳变，并且提供了±2.2V的跳变高度，从而使得相应报警指示灯能够亮或者
是灭；第二条支路由一个150Ω的电阻和一个红色的LED发光二极管组成，其
中150Ω的电阻用于保护发光二极管，当电网电压小于基准电压时，V
向负向跳
变，此时LED1截止，LED2导通，LED2发出红光，表示电网欠电压；第三条支路
由一个150Ω电阻和一个绿色的LED发光二极管组成，其中150Ω电阻用于保护
发光二极管，当电网电压大于基准电压时，V
向正向跳变，此时LED2截止，LED1
导通，LED1发出绿光，表示电网电压正常。
三、总电路图
元件清单
名称
规格
数量
备注
变压器
220－22V
1
T1
整流桥
1B4B42
1
D1
电阻
150Ω
2
R1、R2
瓷片电容
47nF
2
C1、C2
电解电容
2.2mF
2
C3、C4
二极管
O2BZ2.2
2
D2、D3
集成运放
LM7812CT
1
U2
集成运放
LM7806KC
1
U3
电压比较器
OPAMP-3T-VIRTUAL
1
U1
发光二极管
LED1
1
发光二极管
LED2
1
四、仿真与调试
1.仿真
（1）电网电压正常
由于本设计基于电网电压的波动，但是软件仿真难以实现波动的交流，所以我们
选择人为的改变电源的电压值，从而模拟电网电压的波动。
为了模拟正常状态下
的电网电压，现将电源电压改为200V，并用万用表测量比较器输入端的电压V
，
可以得到如下结果：
明显比较器输入端电压V
=5.525V大于基准电压5.19V，报警电路LED1绿灯亮，
表示此时电压正常。
可见，此时仿真得到的结果与假设并改变的电网电压200V
为正常电压相一致。
（2）电网欠电压
同样，为了模拟电网电压的波动，我们人为改变电源电压值。
为了模拟电网欠电
压，我们将电源电压改为170V，并用万用表测量比较器输入端电压V
，可以得
如下结果：
明显，比较器输入端电压V
=4.767V小于基准电压5.19V，报警电路LED2红灯
亮，表示此时电网欠电压。
可见，此时的仿真结果与我们假设并改变的电网电压
170V为欠电压相一致。
通过以上两次仿真，可以看出，虽然测量电压值与理想值有一点点误差，但是基
本可以忽略。
这个电路满足设计要求，能够在电网欠电压时由正常状态下的亮绿
灯转变成亮红灯，起到报警保护的作用。
2.调试
由于实验室的实验箱上没有电源模块中的LM7812和LM7806，而且也没有报警
电路中所需要的双向稳压管（即可稳定正负双向电压的二极管）和两种不同颜色
的发光二极管，所以在实验室中无法实现总电路图中的效果。
但是，根据本设计
最基本的原理，我们简化了电源模块的设计，只是利用桥式整流电路和简单的滤
波电路，同样能够实现报警，从而证明了设计原理的正确性。
五、小结
经过近一周时间的调试，我们小组总算是将电路仿真出来了。
首先要感谢常老
师和刘老师对我的指导，还要感谢我们小组的另外两位同学，没有你们的帮助，
无论如何我是没法完成这次课程设计的。
在刚着手这个课题时，我可以说是一头雾水，经过讨论，我们的三人小组基本
确定了设计方向。
刚开始，我们设计的电路很非常简单，但是经过仿真运行我们
发现，由于电路整流、滤波的部分过于简单，导致输出电压误差大，并没有达到
我们想要的效果。
非常幸运，第二天我们就去了实验室，并且搭出了实际电路，
虽然由于实验室没有双向二极管，实验最终还是没能做出来，但是，在搭电路的
过程中，刘老师为我们解答了许多我们不是很清楚的地方，使得我们后续的设计
豁然开朗。
在那之后的几天，我们查阅了很多资料，并且在一本参考书上找到了
我们现在所用的电源模块，经过仿真我们发现，这样的电源模块能够很精确的给
出我们想要的结果。
通过这次课程设计，我了解到，自己平时所学的知识都只是
皮毛，而且几乎没能与实际生活相结合，导致在做设计时碰到一些简单的实际问
题时不知道怎么办。
所以，在今后学习中，我会在认真学习书本上的知识的同时
更加注重知识与实践的结合，为今后的实际工作做准备。
总体来看，我基本上完成了课程设计任务书上的要求，完成了课程设计任务。
这次课程设计增强了我的动手能力，同时也增强了我对专业课程的兴趣，我一定
会更加努力的学习，为今后走向工作岗位打下坚实的基础。
最后，再一次感谢常老师、刘老师和我们小组的另两位同学，在你们的帮助下，
我们共同完成了这次课程设计的任务。
六、参考文献
（1）华中理工大学电子学教研室编，康华光主编：
《电子技术基础》（模拟部分）
高等教育出版社，2010年。
（2）孙余凯项绮明等编著：
《精选实用电子电路260例》电子工业出版社，2007
年。
（3）冼凯仪编著：
《电子技术基础实验指导书》华南理工大学出版社，2001年。
（4）[美]J.马库斯编著：
《电子电路大全》计量出版社，1985年。
（5）中国计量出版社组编《新编电子电路大全》中国计量出版社，2001年。
（6）任为明编著:
《电子技术基础课程设计》中央广播电视大学出版社，1996
年。
（7）黄培根编著：
《Multisim虚拟仿真和业余制版实用技术》电子工业出版
社，2008年。
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