东北石油大学课程设计2020 年7月17日东北石油大学课程设计任务书课程数字电子技术课程设计题目过/欠电压保护提示电路专业勘查技术与工程姓名学号主要内容：设计一个数字过/欠电压保护提示电路，当电网交流电压大于250V或小于180V时，经3～4s本装置将切断用电设备的交流供电，并用LED发光警示。
在电网交流电压恢复正常后，经本装置延时3～5分钟后恢复用电设备的交流供电。
基本要求：1．当电压超过设定区间时，电路能自动切断并亮灯报警。
2．当供电恢复后，该装置经过一定的延时后能正常送电。
主要参考资料：[1] 陈有卿.实用电子制作精选[M].北京：机械工业出版社，2011[2] 赵世平.模拟电子技术基础[M].北京：中国电力出版社，2014[3] 张凤言.电子电路基础[M].北京：高等教育出版社，2013[4] 康华光.电子技术基础模拟部分[M].北京：高等教育出版社，2013完成期限2020.7.13-2020.7.17指导教师专业负责人2020年7 月10 日目录1任务和要求 (1)2 总体方案设计与选择 (1)3单元电路设计 (2)3.1电源模块的设计 (2)3.2比较模块的设计 (3)3.3 报警延时模块的设计 (4)4 整体电路设计 (5)5 电路仿真结果与分析 (5)5.1调试 (5)5.2仿真 (6)5.3 结论 (7)6社会、安全、健康、法律、文化、环境等影响因素 (8)7 设计的可持续发展性 (8)8本设计的成本 (8)9 结论 (9)参考文献 (10)1任务和要求(1)任务：设计一个数字过/欠电压保护提示电路。
(2)设计要求：当电网交流电压大于250V或小于180V时，经3～4s本装置将切断用电设备的交流供电，并用LED发光警示。
在电网交流电压恢复正常后，经本装置延时3～5分钟后恢复用电设备的交流供电。
➢当电网交流电压大于250V或小于180V时，经3～4s本装置将切断用电设备的交流供电，并用LED发光警示。
➢在电网交流电压恢复正常后，经本装置延时3～5分钟后恢复用电设备的交流供电。
2 总体方案设计与选择过压比较器同相输入端与欠压比较器反相输入端端接电源部分采集到的电压，过压比较器的反相输入端与欠压比较器的同相输入端则可以端接两种电路，这个部分经过查阅资料与讨论，制定出两套方案：方案一：可以通过电源部分分别将250v与180v所对应的电压测试出来，分别为11.158v与7.89v。
然后分别在过压与欠压比较器的相应输入端接入相同电压值的直流电源。
图1 方案一框图方案二：从电源部分的输入端接并联个单相桥式整流电容滤波电路，对其输出电压进行稳压，使其电压值高于或等于250v所对应的电压，这个电压值为基准电压，经过测试后为11.77v，在过压与欠压比较器的相应输入端接入一个滑动比较器，起调节基准电压的作用，然后将基准电压与滑动变阻器连接，这时便可以通过滑动变阻器将基准电压调节为两个比较器的标准电压。
单相桥式整流电容滤波电源滑动比较器(250v 基准)直流电源11.158v7.89v图2 方案二框图 通过分析比较，第二种方案较第一种方案更加节省成本，不需要更换直流电源，并且，还可以对标准电压进行调节，使其适用于不同的要求。
因此我组决定采用第二种方案。
所以整个比较电路设计：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 ，过压比较器同相输入端与欠压比较器反相输入端端接电源部分采集到的输出电压；另外两个输入端采取上述方法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 o 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 o 向负向跳变。
3 单元电路设计3.1电源模块的设计图3 电源设计图电源设计如图3所示，电源模块采用10 TO 1 的变压器降压，1A ／50V 桥式整流电路进行整流，RC π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型滤波器的滤波、稳压功能，并通过电阻分压,采集到电压比较器变化端,最终得到9.692V的直流电压。
3.2比较模块的设计图4 比较器设计图从电源部分的输入端接并联个单相桥式整流电容滤波电路，对其输出电压进行稳压，使其电压值高于或等于250v所对应的电压，这个电压值为基准电压，经过测试后为11.77v，在过压与欠压比较器的相应输入端接入一个滑动比较器，起调节基准电压的作用，然后将基准电压与滑动变阻器连接，这时便可以通过滑动变阻器将基准电压调节为两个比较器的标准电压，比较器如图四所示。
图5 单门限电压比较器图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，过压比较器同相输入端与欠压比较器反相输入端端接电源部分采集到的输出电压；另外两个输入端采取上述方法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向正向跳变；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Vo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，单门限电压比较器如图5o所示。
3.3 报警延时模块的设计：过压与欠压的报警装置基本相同，过压状态由一个150Ω的电阻和LED1发光二极管组成，当电压经比较器比较后，若确定为过压，则二极管LED1发光（红光）；欠压状态由一个1kΩ的电阻和LED2发光二级管组成，比较后，若确定为欠压，则二极管LED2发光（绿光）。
此电路的延时装置为一个简单的RC充放电构成，当电路处于过/欠压状态时，给电容进行充电，充电时间则为延迟时间，此时间可通过改变电容的参数进行改变。
计算公式为：Ｔ=1.2×2ｎＲ×Ｃ总的来说，过压状态时LED1发红光，电磁继电器吸合开关，用电设备工作电路切断。
欠压状态时LED2发绿光，电磁继电器吸合开关，用电设备工作电路切断。
延时报警器如图6所示：图6 延时报警器图4 整体电路设计图8 整体电路设计整体电路如图8所示，从电网进行降压，然后经过单相桥式整流滤波电路输出一个稳定的直流电压，然后对其进行采样，使采样电压进入比较装置比较，如大于250v，则进入过压部分，LED1发红光，经过RC充放电延时电路延时后，电磁继电器吸合开关，切断用电设备工作电路。
如小于180v，则进入欠压部分，LED2发红光，经过RC充放电延时电路延时后，电磁继电器吸合开关，同样切断用电设备工作电路。
5 电路仿真结果与分析5.1调试在初步的设计完电路后，使用仿真软件进行仿真，发现有很多问题，电路无法运行过去，因此我组进行分区域排除。
(1)首先对电源部分，使用示波器与电压表进行测试，并进行元件参数的改变，结果如下图所示：图9 波形图 (2)基准电压的调试,它主要是靠稳压二极管来稳定电压,不管输入电压为多少,其都为稳压二极管的电压值，开始时发现稳压二极管没有起到应有的作用，无法对电压进行稳定，经过电压表的测定后，发现其稳压值太低，因此查阅相关数据，选择了IN600B 的稳压二极管，可以满足基准电压的幅值。
(3)调试到电磁继电器时，发现无论输入电压是多少，继电器都是处于闭合状态，无法使其工作，将开关吸合住，也就无法起到过\欠压切断电路的作用，经过小组讨论与数据测试后发现，原因是电磁继电器两端电压无法达到其工作电压，因此其始终不工作，在更换继电器型号后，此问题也被解决。
(4)发光二极管的发光问题，在改变输入电压值后，发现其发光不可控，准确的说是其发光不按照一开始设计的要求进行发光，在经过前面的问题处理后，就先进行了发光二级管两端电压的测试，发现根本无法达到工作电压，经过测试，发红光二极管的工作电压大概在1.6v 左右，因此将与二极管串接的电阻值改小，使二极管两端电压达到工作电压，问题也就圆满解决。
5.2仿真(1)、欠电压状态为了模拟欠电压状态，我们人为的将输入电压改为150v ，并且用电压表测量了欠压部分反相输入端电压Ui ，得到欠电压仿真图图10所示。
从图中可以看出，电压Ui=6.476V 小于基准电压7.89V ，报警电路LED2绿灯亮，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。
变压后输出波形 变压后输出波形整流后输出波形图10 欠电压仿真图(2)、过电压状态人为的将输入电压改为300V，模拟过电压状态，用电压表测量过压部分的同相输入端电压Ui，得到如下图所示结果：据图观察，此时Ui=13.504V大于基准电压11.158V，报警电路LED1红灯亮，表示此时电网过电压。
可见，此时的仿真结果与我们假设并改变的电网电压250V为过电压相一致。
图11 过电压仿真图(3)、正常状态人为的将输入电压改为220V，模拟用电设备正常工作，结果如下图: 从图中看出,灯泡正常发光,两个LED灯都不发光,表示此时电路正常工作,可见，此时的仿真结果与我们假设并改变的电网电压220V为正常电压相一致。
5.3 结论通过以上两次仿真模拟，从中看出，尽管测量电压值与理想值有一点点误差，但是基本上可以忽略。
这个电路满足设计要求，能够在电网欠电压时由正常状态灯泡正常放光变为LED2绿光亮起，过电压时又LED1红灯亮起，起到报警保护的作用。
图12 模拟仿真图6社会、安全、健康、法律、文化、环境等影响因素生活中，我们不可避免的要用到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气设备受到损坏，而在低压时电气设备不能正常工作。
那么，在这样的情况下就需要有一个电压报警指示设备，它可以及时准确地对电网电压进行分段指示并且对过、欠压进行指示报警，从而实现保护电器设备的目的。
7 设计的可持续发展性该设计.采用实际的电子设备对电网电源的过欠压进行检测.具有结构简单、性能稳定.容易实现等优点.能有效防止电源波动对设备的影响.保护设备的正常运行。
8本设计的成本表1 主要元器件清单9结论经过近3天时间的查找资料、设计、讨论、仿真、总结一系列的工作，我终于将电路仿真出来了。
面对自己的心血成果十分欣喜，有成就感。
在这里要感谢老师耐心指导。
刚拿到这个课题时，我来说是一头雾水，不知从何做起。
经过查阅资料、和老师的帮助，我基本确定了设计方案。
开始，我设计的电路原理是正确的，但经过仿真运行发现，由于电路参数设置不正确,电路无法按照要求正确运行,无法达到预想效果。
后来，我查阅了许多资料，而且找到了一些所需的电路设计，经过一些改动、仿真，发现此电路可以比较精确地表达出我想要的结果，那时高兴极了。