家电延时保护器.docx
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家电延时保护器
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
杨媛媛工作单位：
信息工程学院
题目：
家电延时保护器
初始条件：
具备模拟电子电路的理论知识；具备模拟电路基本电路的设计能力；具备模拟电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。
要求完成的主要任务：
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、输入电压198～240v时，给负载正常供电，显示
2、输入电压Vi<198，及Vi>240时，对负载断电，并作高低超压显示
3、电压恢复正常后，延时5秒，恢复供电
4、25w灯泡作负载
5、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书
时间安排：
一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要································································1
1课题的提出依据和意义············································2
2本课题的主要任务和研究内容······································2
2.1本课题的主要任务···········································2
2.2本课题研究的主要内容·······································3
3电路组成和工作原理··············································4
3.1直流稳压电流部分···········································5
3.2窗口比较器···············································5
3.3555时基电路·····································
6
3.4电磁继电器···············································7
4电路元器件的选择与计算··········································8
4.1定时器IC的选择············································8
4.2电压取样单元元件选择·····································10
4.3延时电路元件选择········································10
4.4直流稳压电源元器件的选择··································10
5电路的仿真·····················································10
6实物安装与调试················································14
6.1装配图的设计···································14
6.2装配焊接与调试
·····························15
6.3实物图·································16
7元件清单表·································17
8设计心得体会·································18
参考文献···························································19
本科生课程设计成绩评定表···········································20
摘要
电器是生产和生活中重要的一部分，而目前由于各种大型用电设备的增加，使得供电电压时常出现浪涌、电压不稳、电压突变等问题，由此造成的电器烧毁已是屡见不鲜。
电冰箱是人们最常使用的电器之一。
因此，电冰箱易损坏或寿命短是困扰人们的一个问题。
瞬时断电、供电电压波动是电冰箱易损坏的主要原因之一。
而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。
电冰箱延时保护器，它可以在电冰箱起动过程中，在突然停电后，又立即恢复供电的情况下自动延时3～8秒钟，从而使电冰箱毛细管进、出二端的压差得到消除，防止冰箱电动机因过载起动或其他部件因过载起动而造成的损坏，有效地保证电冰箱的正常使用。
本实用新型由直流电源、继电器和延时电路构成，具有结构简单，工作可靠，成本低廉等优点，它可以安装在电冰箱内和电冰箱控制电路构成一体，也可单独成立，作为电冰箱使用时的一个配件。
1课题的提出依据和意义
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。
2本课题的主要任务和研究内容
2.1本课题的主要任务
电冰箱是一种间歇工作的家庭电器，在接通电源后，其压缩电动机处于启动、运行、终止的反复循环过程。
根据我国家用电冰箱技术标准的规定，电冰箱的电源电压应在175～235v范围内才能保证电冰箱的正常启动和运行。
这是由于电冰箱的压缩机作为电动制冷器具的核心部件,其工作的安全性不仅关系到用户的财产安全,而且关系到用户的人身安全，并且压缩机都是在负载条件下启动的。
启动时要求电动机启动转矩较大，如果在电源电压低于允许的下限值的情况下，势必迫使电动机的启动电流成倍增长，超过设计的允许的限度。
电冰箱内设的热保护装置对这种瞬间大电流的反应较差，因而极易造成电动机绕组的烧毁。
另一方面，在电冰箱的压缩机处于工作状态时，不允许在电源突然中断后的短时间内重新接通电源。
因为压缩机工作时，压缩泵一侧自蒸发器将低压制冷剂蒸发抽出，经过压缩成为高温高压蒸汽，自另一侧送往冷凝器，实现向空间排热。
两侧压力差最大时可达到十一个大气压，压缩机中断运行后，须经一定的时间才能恢复两侧的平衡，最好保持在五分钟左右；倘若压缩机运行中出现断电后又很快接通的情况，由于两侧存在很大的压力差，电动机启动时的负载很大，启动电流较正常值成倍增加，从而带来烧毁电动机的危险。
为了避免上述危险的发生，我们应该给电冰箱配备一个冰箱保护器，该保护器能够在电网电压过压或欠压情况下，使电冰箱供电系统停止供电，电网电压恢复正常后自动恢复供电；当电冰箱正在工作时，一旦电源中断立即又恢复供电，要使其在5分钟之后才恢复供电。
本保护器的设计需要考虑下面几个方面的问题:
（1）合适性由于保护器的种类繁多，加之不同厂家生产的电机也有差别。
因此，能型电动机综合保护器应该有较好的适应性，即通过简单方便的设置就可使保护器不同的保护特性的要求。
（2）正确性为了充分发挥电机自身的过载能力，同时还要对电机进行有效保护。
要求保护器的动作要准确。
不准确的动作或造成电机的损坏，或不能充分发挥的过载能力，造成不必要的跳闸断电，影响生产。
（3）保障性这一方面要求保护器在无故障时不能产生误动作，而在故障发生不能拒绝动作，特别是在过压、欠压和突然断电时。
要在规定的时间内，准确、可靠地完成规定的保护功能，并且，设计的合理性以及制造时的工艺保证是非常重要的。
2.2本课题研究的内容
本课题研究的主要内容主要包括以下几个方面：
（1）正确设计电路图，实现对电冰箱过压保护的设计
从目前我国供电情况来看，供电电压还不太稳定。
当电网电压
240V时，电动机绕组会因电流过载而出现发热导致破坏绝缘层的现象。
（2）正确设计电路图，实现对电冰箱欠压保护的设计
当电网电压
180V时，会因启动转矩不足，造成压缩机启动困难，势必迫使电动机的启动电流成倍增长，超过设计的允许的限度，使压缩机受到损害。
（3）正确设计电路图，实现对电冰箱延时保护的设计
由电冰箱的压缩机的工作原理可知，在电冰箱的压缩机处于工作状态时，不允许在电源突然中断后的短时间内重新接通电源，而应使电冰箱必须经过5分钟后才能恢复供电，才不会影响电冰箱的正常工作和人们的日常生活。
（4）根据画好的工作原理图，设计出相应的仿真
PCB图是电路板的映射图纸，它详细描绘了电路板的走线、元件的位置、线路板的尺寸、表面印什么字、底面怎么做铜箔等等，发往PCB厂家加工出来。
3电路组成和工作原理
电冰箱保护器电路原理图如下图所示
图3.1原理图
该电路的主要功能是当电网电压
240V或
198V时，在电位计R3上的分压大于窗口比较器高压VH或低于低压VL，在窗口比较器输出端输出低电平，低电平小于输入NE555的VCC要求电压，NE555输出端电压降低，电磁继电器开关断开，电冰箱电路断电。
当电网电压在198—220V时，窗口比较器输入电压在VL与VH之间，输出高电平至NE555的VCC,使NE555延时电路延时五秒钟后，输出高电压使三极管Q2处于放大区，输出较大电流使电磁继电器闭合，电路开始正常工作。
图3.2工作设计框图
设计原理：
电网电压通过变压器，整流桥，滤波电容输出直流，通过电位计调节电压，输入窗口比较器取样，输出高电平至555时基电路，555时基电路有延时作用，延时后输出较大电流使电磁继电器闭合，负载开始正常工作。
3.1直流稳压电源部分
图3.1.1
如图3.1.1所示，该电源由变压器T、1B4B42整流桥D4、滤波电容C1，C4、LM7812CT集成稳压管、电容C1，C4组成。
通过整流，滤波产生两种大小不同的直流电压：
输入端输入电压U1=30V，输出电压U2=12V。
直流稳压电源电路的工作原理如下：
（1）该电路由变压器，整流桥，滤波电容组成。
电网电压经过变压器，副边幅值变为原边的1/15,经过整流桥正弦电压变为直流脉动电压，经过滤波电容，因为滤波电容足够大，电压变为幅度不变的直流。
直流电压输入集成稳压管，在输出端输出12V直流电压。
3.2窗口比较器
图3.2.1
输入电压过大时电路易烧毁，输入电压过小时电路无法正常工作，因此用窗口比较器控制输入电压范围。
如图3.2.1所示，该电路由两个运算放大电路，三个电位计构成。
若电网电压大于240V或小于198V时，窗口比较器输入电压大于VH或小于VL，窗口比较器输出低电平，电路截止；若电网电压在198V到240V之间，窗口比较器输出高电平，电路正常工作。
3.3555时基电路
图3.3.1
若断电后又立即通电易烧毁电机，因此要用延时电路使电路在一段时间后开始工作。
该延时电路由NE555定时器、电容、电阻等组成。
该电路的工作原理如下：
（1）当电网电压从大于240V降至略小于240V时，由于
门
的状态翻转，输出为“1”电平，门
由输出“1”变为输出“0”（这时有
），通过
给555定时器的2脚送入一个负脉冲，则3脚变为“1”电平。
同时放电管截止，直流电源
经电阻
对电容
充电，
（
）上升。
经5分钟后，
555电路状态翻转，3脚恢复为“0”电平，输出一个负脉冲，经电容
送至RS触发器，使
（这时因
输出“0”电平，
输出为“1”电平，即
）,迫使RS触发器翻为“1”状态（Q=1），门
及
输出“0”状态，
及
截止，继电器常闭触点闭合，电冰箱恢复工作。
这里555定时器3脚“1”电平的保持时间（放电管
的截止时间）仅与电阻R4，R5和电容C3，C5的乘积成正比，而与直流电压
的大小无关。
电阻与电容乘积为时间常数，可以延时5秒钟。
（2）若电网电压从小于180V上升到大于180V时，
（这时UB输出“1”电平）,门
输出“0”电平，通过
也为555定时器IC的2脚送入一个负脉冲，接下来的过程与上述过程相同，电冰箱又恢复工作。
3.4电磁继电器
如图3.4.1所示，当电网电压在198至240V之间时，窗口比较器输出高电平，555时基电路延时五秒后输出高电平至电位计，经过三极管放大电流，使电磁继电器开关闭合。
电流大小可以通过电位计控制。
当电网电压大于240V或小于198V时，三极管截止，电磁继电器开关断开。
图3.4.1继电器控制电路
4电路元器件的选择与计算
4.1定时器IC的选择
555定时器IC选用NE555，其管脚外形图如下图所示。
工作电压
=11V。
定时器是一种产生时间延迟和多脉冲信号的控制电路，555定时器是用途极广的精密定时电路。
它的电源电压范围宽（5～18v），输出电流最大值可达200mA，能直接驱动大电流负载，最高工作频率可达300Khz。
图4.1.1555时基引脚功能图
555定时器IC的工作原理如下：
图4.1.2555定时器内部原理图
上图为555时基集成电路的内部方框图，可以看出555时基电路由两个比较器
和
，一个晶体管，三个分压电阻，一个R-S触发器和一个功率输出电路构成。
上限比较器
的同相输入端6脚称为复位端R，当R端的点位高于
的反相输入端的点位
=（2/3）
时，
输出为“1”，使后随R-S触发器复位，输出端3脚Vo为逻辑“0”，电路处于复位状态。
下限比较器的反相输入端2脚称为置位触发端
，当
的电位低于A2同相端的电位
=（1/3）
时，
输出为“1”，电路处于置位状态。
R-S触发器处于置位状态时，Vo=“1”，BG管截止，7脚对地断开，允许外部电容充电；当R-S触发器处于复位状态时，Vo=
“0”，BG管导通，7脚对地相当于短路，外部电容通过BG管放电。
5脚为外部电压控制端，用于施加控制电压。
4脚
是R-S触发器的优先复位端，只要
为“0”，实际上
<0.7V时，无论R和S端处于什么点位,输出端Vo都为“0”，电路处于强制复位状态。
4.2电压取样单元元件选择
窗口比较器上限电压与下线电压值通过电位计控制，电位计阻值越大，调节电压时越灵敏，因此R1，R2，R3均选用50k。
4.3延时电路元件选择
电网由断电到恢复供电后，电冰箱要延迟一段时间才能正常工作，此延时时间τ由NE555的外围电路C和R决定：
τ≈1.1×（R5+R4）×（C3+C5）
电路要求延时5秒钟，设C=220μF,则R3的阻值计算如下：
R3=5÷（1.1×220×0.000001）≈20千欧
4.4直流稳压电源元器件的选择
要求在集成稳压管输入端端取出15至35V的直流电压，需在变压器副边输出20V左右交流电压，占供电电压（220V）的十分之一，故选电压比为10比1的变压器。
整流二极管选用1B4B42,滤波电容:
，
，C1，C2并联，选用100
的电容。
因为是半波整流电容滤波，电容
两端的电压：
U=30V。
5电路的仿真
此次仿真使用的是multisim仿真软件.此次仿真电路中没有接入电灯泡，而是用两个发光二极管来做指示灯，通过发光二极管的发光或熄灭来指示继电器的工作状态。
输入交流电压220V，在集成稳压管输入端输出直流电压30V，在集成稳压管输出端输出电压12V，仿真结果如下：
图5.1直流稳压电源仿真
当才上电时，继电器处于断开状态，绿色发光二极管U5点亮。
绿色发光二极管U3不亮，大约5S后，继电器吸合。
发光二极管U5熄灭，发光二极管U3点亮。
调节可变电阻R1，使LM3398,11脚的电压增大，打凋到大于8.9V时，继电器断开，此时再调节R1是LM3395,6脚电压减小，当凋到3.2V时，继电器再次断
开。
下面为输入不同电压所得到的不同的仿真结果图：
图5.2电压正常时的仿真结果
然后调节变阻器，使电路过欠压时，555时基电路5,6脚输出高电平，3叫输出低电平，继电器断开，仿真结果如下图：
图5.3电压小于VL时的参数
然后调节变阻器，使电路过欠压时，555时基电路5,6脚输出高电平，3叫输出低电平，继电器断开，仿真结果如下图：
图5.4电压大于VH时的仿真结果
6实物安装与调试
6.1装配图的设计
图6.1装配图
6.2装配，焊接及调试
按照原理图完成装配及焊接。
1、节点调试
焊接电路板的过程中，无论是加飞线，还是埋导线，或者说是拉锡线都要用万用表测一下通断情况。
尤其是电阻，焊接前一定要测量它的阻值和通断情况。
还有就是一些较小的芯片，上面可能会有好几个端口，一定要注意不能短路。
这些小细节一定要在调试的过程中加以注意！
2、直流稳压电源的调试
实际操作过程中使用12V直流电压代替。
3、电压比较器的调试
电位器可调出要求电压范围，不过很小。
输入电压在合适范围之内，使用电压表测量输出电压，确实是低电平。
反复检测，通过。
4、定时器的调试
起初555不正常工作，上网查资料知其工作电压必须大于4.5V而电源测试电压只有3V多，进行检查得知电源接入电路后，却只有3V多，情况不明。
5、继电器的调试
继电器的工作电压始终为2V,一直处于闭合状态。
可能是受了电源电压问题的影响。
整个电路未能正常工作。
6.3实物图
图6.3实物图
7元件清单表
元器件名称
元器件符号
元器件标称值
元器件型号
元件数量
变压器
Tr
15v
DB-I-28
1
二极管
D1
IN4001
1
三极管
VT1
9013
NPN
1
电容器
C1
220u
1
C2、C3、C4
100
3
C5
330u
1
电阻
R4、R5、R6
10K
ＲＴ
3
R7、R8、R10
1K
3
滑动变阻器
RP1、RP2、RP3
50K
RT
3
RP9
5K
1
芯片
LIA
LM339
1
U2
NE555
1
7812
7812
1
发光二极管
LED1、LED2
2
继电器
K1
12v
ＳＭＩ－１２ＶＤＣ－ＳＬ－Ａ
1
总计
24
8设计心得体会
这是第一次做电路方面的课设，经验不是很充分，因此走了许多弯路，吃了许多苦头。
首先是EDA工具的使用。
本次课设我们组选择了multisim12.0。
我们四个组员都是第一次接触multisim这个软件，在使用过程中遇到了许多问题，如元件不知道在哪个库，不明白各种型号的意义。
我们通过网络查询，翻阅书籍，相互探讨解决了一系列的问题。
同时也意外地觉得学好英语很重要。
当然，通过几天的原理图设计与仿真，我们已逐渐开始熟悉了multisim，在仿真调试出错时，已经能够熟练修改电路图。
我们也感到multisim是一个十分强大的软件，我们现在对于它的了解与掌握，还远远不够，电子设计之路，任重而道远。
在仿真正确之后，我们开始焊接电路板。
因为原理图设计时出错太多，有许多问题不断出现，因此我们花费了较多的时间，电路板的焊接就起步比较晚。
时间比较仓促，同时也让我们吸取了经验，以后做课程设计一定要早作准备。
通过这次课程设计，我们对于模拟电子电路有了更深刻的理解，掌握了计算机辅助设计方法，焊接电路板也更加熟练了。
我和组员们都觉得收获很大。
参考文献
[1]孙余凯稳压电源设计与技能实训教程电子工业出版社2007
[2]吴友宇模拟电子技术基础清华大学出版社2009
[3]武予鲁电动机及其保护装置的工作原理与使用煤炭工业出版社2002
[4]陈生贵电力系统继电保护重庆大学出版社2003
[5]陈友卿555时基电路原理设计与应用电子工业出版社2007
[6]周惠潮常用电子器件及典型应用电子工业出版社2007
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
模拟电子技术基础——家电延时保护器
课程设计答辩或质疑记录：
1.直流稳压电源的设计原理是什么？
答：
电网电压经过变压器，副边幅值变为原边的1/15,经过整流桥正弦电压变为直流脉动电压，经过滤波电容，因为滤波电容足够大，电压变为幅度不变的直流。
直流电压输入集成稳压管，在输出端输出12V直流电压。
2.三极管Q2的作用是什么?
答:
通过电位器控制流入三极管基极的电流，从而控制集电极电流，当电流足够大时，继电器闭合，负载工作。
3.NE555中RS模块是什么？
作用是什么？
答：
RS为触发器。
S为置位端，R为复位端。
6脚电压高于2/3VDD时，输出端3脚为低电平;2脚电位小于1/3VDD时，A2输出高电平，触发器被置位，3脚输出高电平。
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
（注：
可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!
）
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