LM358欠压和过流保护电路设计与实现 - 全文

　　日常生活中，我们会用到用到各种各样的电气设备。由于电网中大功率设备的存在使电网电压会产生波动，而电压过高或过低都会对用户产生影响，用电器可能无法正常工作甚至损坏。因此，我们提出了过欠压提示保护电路，当电压异常时及时提示用户，并断开电路，以达到保护用电器的目的。

　　电源模块的设计电源设计图：

　　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，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。

　　 比较模块的设计

　　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。

　　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。

　　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。如图所示：

　　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Vo向正向跳变；当电网电压比基准电压小时，比较器输出电压Vo向负向跳变。如图所示：

　　重要部件介绍

　　（1）变压器

　　变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。按用途可以分为：配电变压器、电力变压器、全密封变压器、组合式变压器、干式变压器、油浸式变压器、单相变压器、电炉变压器、整流变压器等。

　　（2）单相桥式整流电路

　　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，根据电路图可知：当正半周时，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，二极管D2、D4导通（D1、D3截止），在负载电阻上得到正弦波的负半周。

　　（3）LM7812

　　LM7812是指三段稳压集成电路IC芯片元器件，适用于各种电源稳压电路，输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护

　　LM7812是指三段稳压集成电路IC芯片元器件，适用于各种电源稳压电路，输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。

　　（4）双限比较器

　　电路由两个LM258组成一个窗口比较器。当被比较的信号电压Uin位于门限电压之间时（UR1《Uin《UR2），输出为高电位（UO=UOH）。当Uin不在门限电位范围之间时，（Uin》UR2或Uin《UR1）输出为低电位（UO=UOL），窗口电压ΔU=UR2-UR1。它可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间。

　　LM358

　　LM358是双运算放大器。内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

　　（5）继电器

　　继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控，遥测，通讯，自动控制，机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。继电器实质是一种传递信号的电器。

　　电子开关与继电器相比，不如继电器。因为继电器有以下好处：

　　1.与开关配合，实现了自动控制；

　　2.实现了控制回路与主回路的电气隔离；

　　3.触点电压电流都比较大。

　　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：

　　（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。

　　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，得到如下图所示结果：

　　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。

　　（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。

　　13 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。（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。

　　（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。