过电压保护电路.docx
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过电压保护电路
过电压保护电路
新疆大学
课程设计报告
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：
20142450007
指导老师:
常翠宁
完成日期：
2016.6.30
电网电压异常报警器
过电压保护电路设计（OverVoltageProtection）
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
MAX6495–MAX6499/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Multisim12.0中无法找到元件
MAX6495,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
、
整流，电容器
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，
、
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10A250V1
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4VGA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。
再综合仿真的限制，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
（公式1）
2．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
（公式2）
输出平均电流
（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:
（公式3）
二极管的最大反向峰值电压：
（公式4）
根据二极管的选用条件，采用IN4007。
而Multisim12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在U2的负半周，二极管D2，D4正偏导通，U2通过D2，D4向电容C充电，使电容C上电压很快达到U2的峰值，过了该时刻以后，D2，D4因正极电位低于负极电位而截至，电容又通过负载RL放电，如此周而复始，就可以再负载上得到的是脉动成分大大减小的直流电压。
图5-4单相桥式整流滤波电路
（3）主要性能指标
当滤波电容较大时，一般按照经验公式来估算输出直流电压U0
（公式5）
负载电流
（公式6）
在单相桥式整流滤波时，输出直流电压
≈U2。
需要注意的是，在上述输出电压
的估算中都没有考虑二极管的导通压降和变压器副边绕组的直流电阻，在设计直流电源时，当输出电压较低时（10V以下）时，应该把上述因素考虑进去，否则实际测量结果
与理论设计差别较大，实践经验表明，在输出电压较低时，按照上述的公式的计算结果在减去2V（二极管的压降和变压器绕组的直流压降之和）可以得到与实际测量相符的结果。
电容滤波具有几个特点：
输出电压提高，脉动成分减小，二极管导通时间大大减少。
由于二极管在短暂的导电时间内要流过一个很大冲击电流，才能满足负载电流的需要，所以在选用二极管时，二极管的工作电流应远小于二极管的最大整流电流，，这样才能保证二极管的安全。
二极管承受的反向电压
U，应小于二极管的最高反向工作电压
。
R=1kΩ。
（4）滤波电容器的选择
在负载一定的条件下，电容C越大，滤波效果越好，电容量的值经过实验可按
下公式选择：
≥
（T为交流电压周期） （公式7）
电容器的额定耐压值：
滤波电容器型号的选定应查阅有关器件手册，并取电容的系列标称值。
我们选用C=100uF。
电容滤波电路结构简单，使用方便，但是当负载电流较大时会造成输出电压下降，纹波增加，所以电容滤波适合在负载电流较小和和输出电压较高的情况下使用，如各种家用电器的电源电路上，电容滤波是被广泛应用的滤波电路之一。
此外，该方案还用到了二倍压整流电路，由于篇幅限制，此处不再赘述。
4．触发器
如图5-5所示触发电路，当D点电势
-
≥11V时，
=4.5V，即二极管D1导通，且报警电路被触发。
图5-5触发器
5.继电器
继电器如图5-6所示,它能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感测机构（输入部分）；又能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。
感测机构把感测到的参量传递给中间机构，并和整定值相比较，当满足预定要求时，执行机构便动作，从而接通或断开电路。
本设计采用的是EMR011B03 ，它的优点是超小型、重量轻、线圈损耗功率低。
图5-6继电器结构图
作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用：
（1）扩大控制范围。
例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。
（2）放大。
例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。
（4）综合信号。
例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。
（5）自动、遥控、监测。
例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。
本设计继电器主要用作动作元件，用来控制整机电路的通断。
三、整机电路图
通过对上述单元电路的综合，我们得到整机电路图：
图5-7整机电路图
所需元件如下表所示：
表1元器件明细表
名称
规格
数量
单相交流电源
220V50Hz
1
变压器
20：
1
1
二极管
1
电桥
1B4B42
1
电解式电容
100uF
1
电阻
1kΩ
1
电阻
10kΩ
1
电阻
2kΩ
1
直流电源
11V
1
常闭式电磁继电器
EMR011B03
1
发光二极管
红
1
发光二极管
绿
1
四、仿真与电路调试
1．当输入电压
<250V时，变压器二次侧电压
，
。
当
<13.2V时,二极管不导通，电磁继电器所在回路开路，负载所在回路保持接通。
此时，红灯熄灭，绿色发光二极管发出绿光，提示电路工作正常。
如图5-8所示。
由图我们可以看到UD在Ui=220V时已经达到13.59V，说明
时，
与上面由参数推算出的数据稍有偏差。
图5-8过电压保护电路正常工作
2．当输入电压
时，变压器二次侧电压U2=1/20Ui
，但是由电压表实际测量出的结果，此时
说明了理论值与实际参数的偏差。
当
时，二极管导通，且电磁继电器工作，使负载所在回路断开。
与此同时，红灯亮起发出警报，绿灯熄灭，提示电路出现过电压。
如图5-9所示。
图5-9过电压保护电路保护负载并报警
3．当电路出现了过电压，且电压恢复到正常范围内之后。
此时电磁继电器端电压小于触发电压，电磁继电器停止工作，负载所在回路恢复接通状态，负载正常工作。
同时，绿灯亮起，红灯熄灭，表示电路恢复了正常工作状态。
如图5-10所示。
图5-10电压恢复正常后恢复给负载供电并解除警报
五、小结
我们的设计主要是对市电过压自动保护器的功能阐述和原理分析以及组成部分电路的分析。
在当今社会，电子技术的发展日新月异，现代电子设备性能和结构发生的巨大变化目不暇接。
我们已经进入了高速发展的信息时代。
电子技术的广泛应用，给工农业生产、国防事业、科技和人民的生活带来了革命性的变化，人民的生活、起居、学习等都离不开电，通过此次的毕业设计我了解到学以致用的道理，让我在这次小小的实践中，更加巩固以前所学专业知识，能在以后的工作中得到很大的帮助。
本保护器经过检测和分析，确认它有自动保护功能，当市电电高于设定的电压时自动切断负载的供电线路，可防止用电设备内过电压而损坏；而且它还能在电网电压恢复正常后恢复供电。
但该方案还存在许多问题需要我们改进：
1.继电器安装在二次侧，所以在反应时存在一定的延迟，某些高灵敏度的设备可能因此而保护不到；2.使用了两个电磁继电器和整流电路，我相信经过一定的改进与优化，可以仅使用一个电磁继电器和一个整流电路就可实现该方案，从而降低过电压保护电路的成本。
设计完此电路，学到了许多课本上学不到的，遇到了许多问题，多亏老师的细心讲解。
进一步地了掌握了Multisim12.0的使用，学会了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，合理地进行选择和使用；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。
最重要的是，我们独立地对课题进行分析，运用所学的理论知识，通过翻阅资料，设计出自己的方案，体会到了劳动的乐趣！
在此，特别感谢常翠宁老师的指导，才让我此次电子课程设计能顺利完成！
六、参考文献
《Multisim 10 虚拟仿真和业余制版使用技术》 黄培根 电子工业出版社 2008.
《电路》邱关源第五版高等教育出版社.
《电子技术基础模拟部分》康光华第六版高等教育出版社.
赖建丰.过电压保护电路及驱动电路:
CN,CN103166210A[P].2013.
林家右.过电压保护电路、电源模块以及过电压保护方法:
CN102751698A[P].2012.
杨承上.IGBT的过电压保护及其缓冲电路的研究[J].工会博览·理论研究,2009（11）:
78-78.
赵恺.IGBT驱动及过压保护研究[D].华南理工大学,2015.
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