过电压保护电路

所属院系： 科学技术学院 专 业： 电气工程及其自动化 课程名称： 电子技术基础上 设计题目： 过电压保护电路设计 班 级： 电气14-1 学生姓名： 庞浩

学生学号：

指导老师 : 常翠宁 完成日期： 2016. 6. 30

课程设计题目： 课程设计是将理论知识应用到实践中的过程，是理论和实践的结合。此外，电子技术综 合课程设计是将我们所学的《模拟电子技术基础》和《电路》的综合应用，欲通过此次课程设 计将我们所学的 理论知识运用到生活实践之中去，一致更好的学习理论知识。我们此次的设 计任务是“电网电压异常报警器 过电压保护电路设计”，主要是针对我们学习模拟电子技术 与之前所学的物理、电路基础综合起来，进行综合，以设计培养我们分析、思考与解决实 际问题的能力。以及如何学以致用，将所学的课程运用到实践生活中。 通过此次的课程设计，我们应该达到以下的基本要求： 1．能够在理论知识的基础上进一步熟悉常用电子器件得的类型和特性，合理地进行选择 和运用。 2．能够地对课题进行分析，运用所学的理论知识，通过翻阅资料，设计出最优方案。 3．学会电子电路的安装与调试技能，培养我们分析与解决问题的能力。 指导教师评语： 评定成绩为： 指导教师签名： 2016 年 6 月 30 日 电网电压异常报警器 过电压保护电路设计（Over Voltage Protection） 一、 总体方案的选择 经过小组成员的分析与讨论，得出过电压保护电路设计的框图如下： 1．双向二极管限幅电路 运用二极管的单向导通性，可以对输入电压进行限幅。电路图如1-1所示，限幅后的波形图如图1-2所示。 图1-1二极管双向限幅仿真电路图 图1-2二极管双向限幅输出波形图 优点：结构简单，使用方便，便于实现，经济划算。 缺点：（1）输出波形有失真；（2）电压过大时容易被击穿；（3）需要很大的直流偏置电压。因此不选用该方案。 2．经典过电压保护电路 MAX95–MAX99/MAX6397/MAX6398过压保护(OVP)器件用于保护后续电路免受甩负载或瞬间高压的破坏。器件通过控制外部串联在电源线上的n沟道MOSFET实现。当电压超过用户设置的过压门限时，拉低MOSFET的栅极，MOSFET关断，将负载与输入电源断开。 过压保护(OVP)器件数据资料中提供的典型电路可以满足大多数应用的需求(图2)。然而，有些应用需要对基本电路进行适当修改。 图2 经典过电压保护电路 经典过电压保护电路虽然有许多优点，但是由于Multisim 12.0中无法找到元件 MAX95,无法进行仿真，所以不选用该方案。 3．智能家电过电压保护电路 电路原理：该装置工作原理见图，电容器C1将220V交流市电降压限流后，由二极管VD1、 VD2整流，电容器C2担任滤波，得到12V左右的直流电压。当电网电压正常时，稳压二极管VDW不能被击穿导通，此时三极管VT处于截止状态，双向可控硅VS受到电压触发面导通，插在插座XS中的家电通电工作。（图3） 图3 智能家电过压保护电路 如果电网电压突然升高，超过250V，此时在RP中点的电压就导致VDW击穿导通，VDW导通后，又使得三极管VT导通，VT导通后，其集电极—发射极的压降很小，不足以触发VS，又导致VS截止，因此插座XS中的家电断电停止工作，因而起到了保护的目的。一旦电网电压下降，VT又截止，VT的集电极电位升高，又触发VS导通，家电得电继续工作。 R电阻5.1K1，RP电位器15K 选用多圈精密电位器1，C1金属化纸介电容0.47uF 耐压≥400V1，C2电解电容100uF/25V1，VD1、 VD2整流二极管IN40072，VDW稳压二极管12V 的2CW121，VT晶体三极管3DA87C、3DG12等1，VS双向可控硅6—10A 耐压≥600V1，CZ电源插座10A 250V1 该装置的调试十分简单，当电网电压为220V时，调整RP，使VDW不击穿，当电压升高至250V，VT饱和导通即可，调试时用一调压变压器来模拟市电的变化更方便。 优点：能够保护家用电器避免高电压的冲击带来的伤害，、 缺点：需要购买二极管，NPN 型BJT以及双向可控硅VS，不太经济。 而且由于该方案采用的很多元件很难找到，各种仿真元件不能对该电路不能进行模拟，故放弃该方案。 4．VGA过电压保护电路 这是最基本的保护电路，从VGA接口1，2，3出来的信号经过一个视频选择芯片后被送到模数转换芯片，也就是AD9883。如果这三个端口的电平较高，可能会把AD9883烧坏，为了避免此现象，故此加入如图所示的保护电路。（1）电平较高时（过电压正极性脉冲），它将会通过二极管2和C502被接到地端，构成回路，而不会通过AD9883，故对AD9883起到保护作用。（2）电平较低时（过电压负极性脉冲），它将会通过二极管1被接到地端，同样构成回路，也不会通过AD9883，同样对AD9883起到保护作用。也就是说，这一个保护回路，过高和过低的情况都被导入地端，这样，它的电平值就被牵制为一个固定值。（图4） 图4 VGA过电压保护电路 优点：便于集成 缺点：需要特殊元件才能实现，竞技性差，技术要求高，不容易实现。 再综合仿真的，该方案同样放弃。 5．电磁继电器式过电压保护电路 通过对上述方案的讨论，结合它们的优缺点，我们参考上述方案自行设计出该过电压保护电路。并且通过论证比较，我们最终采用了自己设计的方案。该方案的系统方案框图如图5-1所示。 原理：输入220V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，能够随时将取得的电压情况反馈到触发电路，从而达到过电压自动保护的目的。 图5-1 电磁继电器式过电压保护电路 二、 单元电路的设计 1.变压电路 通过变压器将较高的一次侧电压（220V），以便后续的整流、滤波电路进行处理。 图5-2 变压电路 V21220V11V (公式1） 202．单相桥式整流电路 （1）简介 桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。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。 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，如图5-3所示： 图5-3 单相桥式整流电路 （2）工作原理 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，二极对D2、D4加反向电压，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）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。 整流输出电压的平均值 U00.9U29.9V (公式2） 输出平均电流 I00.9U2RL9.9mA （公式3） 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: IIF04.45mA???? (公式3） 2二极管的最大反向峰值电压： URM2U214V (公式4）根据二极管的选用条件，采用IN4007。而Multisim 12元件库中提供了电桥，我们直接使用电桥既可。 3.滤波电路 （1）简介 滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组成的各种复式滤波电路。? 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经过整流后的电源电压虽然没有交流变化成分，但其脉动较大，需要经过滤波电路消除其脉动成分，使其更接近于直流。? 滤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C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C具有平波的作用；与负载串联的电感L2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L也有平波作用。? 滤波电路形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电容器C接在最前面）和电感输入式（电感器L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）。 （2）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Uo=sqrt(2)U2达到最大值以后，按正 弦规律下降，当U1