Protel 99SE在過(guò)壓欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

電氣設(shè)備的工作電壓都有一個(gè)安全范圍，電源電壓波動(dòng)超出這個(gè)范圍會(huì)造成電氣設(shè)備工作不穩(wěn)定甚至損壞。為了使電氣設(shè)備的工作免受電源電壓波動(dòng)的影響，利用EDA軟件Protel 99 SE設(shè)計(jì)了過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路，當(dāng)電源電壓在185～245 V范圍時(shí)，它能夠向負(fù)載正常供電，當(dāng)電源電壓超出這個(gè)范圍時(shí)它能切斷電源，待電源電壓恢復(fù)正常并經(jīng)一定時(shí)間延時(shí)后又能夠自動(dòng)接通，使電氣設(shè)備得到保護(hù)。

1電路設(shè)計(jì)

過(guò)壓欠壓保護(hù)電路如圖1所示。變壓器TF1將220 V市電變?yōu)?2 V的交流電;二極管D1～D4、電容器C3，C4組成的整流濾波電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電;由R1，R7，R2，R8組成的串聯(lián)電路對(duì)電源電壓進(jìn)行取樣;控制及開關(guān)電路由555定時(shí)器IC2、三極管Q2和雙向可控硅T組成;LM7808為IC2提供穩(wěn)定的8.2 V電源電壓。

1.1電路工作原理

當(dāng)市電在185～245 V之間時(shí)，經(jīng)過(guò)變壓器TF1降壓后的交流電壓在10.1～13.4 V之間，與之對(duì)應(yīng)的直流電壓Ui為13.5～18 V.由R2，R8，R9，D6構(gòu)成的低電壓取樣電路接到IC2的2腳，由R1，R7，R6，D5，Q1反相器構(gòu)成的高電壓取樣電路也接到IC2的2腳，圖1中A點(diǎn)電壓小于0.6 V，Q1，D5截止，2腳電壓大于Vcc/3，6腳的高電平使IC2處于復(fù)位狀態(tài)，3腳輸出低電平，三極管Q2、雙向可控硅T導(dǎo)通，負(fù)載獲得正常的市電。當(dāng)市電低于185 V時(shí)，由R2、R8等構(gòu)成的低電壓取樣電路使得IC2的2腳電壓低于Vcc/3，IC2被觸發(fā)處于置位狀態(tài)，3腳輸出高電平，三極管Q2、雙向可控硅T截止，負(fù)載與交流電源斷開，實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)。當(dāng)市電高于245 V時(shí)，由R1，R7等構(gòu)成的高電壓取樣電路使得電路A點(diǎn)電壓大于0.6 V，三極管Q1及二極管D5導(dǎo)通，IC2的2腳電壓低于Vcc/3，IC2被觸發(fā)處于置位狀態(tài)，3腳輸出高電平，三極管Q2、雙向可控硅T截止，負(fù)載與交流電源斷開，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)。當(dāng)市電高于245 V(或低于185 V)，IC2的2腳電壓小于Vcc/3被觸發(fā)，3腳輸出高電平的同時(shí)，電容器C7通過(guò)電阻R4充電，約6 min之后才能使IC2的6腳電壓大于2Vcc/3，在這之前，即使市電突然回到185～245 V，2腳電壓大于Vcc/3，IC2也不會(huì)復(fù)位，電源仍處于斷開狀態(tài)，也就是說(shuō)負(fù)載一旦斷電，只能在6 min后才能向負(fù)載恢復(fù)正常供電，實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的延時(shí)通電保護(hù)。

1.2過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)

1.2.1 185 V市電欠壓取樣電路設(shè)計(jì)

市電為185 V的低電壓時(shí)，圖1所示電路中Ui=13.5 V，IC2的2腳電壓應(yīng)為2.73 V;分別取R2，R9，R5為20 kΩ，2.7 kΩ，150 kΩ，計(jì)算可得R8應(yīng)為3.15 kΩ。

1.2.2 245 V市電過(guò)壓取樣電路設(shè)計(jì)

市電為245 V的高電壓時(shí)，圖1所示電路中Ui=18.0 V，A點(diǎn)電壓應(yīng)為0.7 V.取R1=15 kΩ，計(jì)算可得R7為0.6 kΩ。

1.2.3延時(shí)電路設(shè)計(jì)

對(duì)延時(shí)電路的要求是，IC2時(shí)基電路由輸出高電平轉(zhuǎn)換到輸出低電平，即負(fù)載由斷電到正常得電至少要間隔6 min以上，因此電路參數(shù)必須滿足，現(xiàn)取T=6 min，C7=220μF，計(jì)算可得R4=1.5 MΩ。

按以上計(jì)算設(shè)計(jì)可得圖1所示電路。

2電路仿真

采用EDA軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，電路越是復(fù)雜就越易出現(xiàn)“Singular Maxtrix”，“Gmin stepping faiLED”，“Source stepping failed”，“Iteration limit reached”，“Timestep too small”，“Run simulation(s)aborted”等仿真錯(cuò)誤。對(duì)于圖1所示電路，為了避免仿真錯(cuò)誤的發(fā)生，可對(duì)電路進(jìn)行分塊簡(jiǎn)化，去掉IC1集成穩(wěn)壓器，用8.2 V直流電壓源Vcc代之。IC1對(duì)整流濾波電路的負(fù)載作用可用等效電阻R13代替，由計(jì)算可知R13約為400Ω;再去掉電路延時(shí)功能便得到與圖1等效的仿真電路圖2.

電路仿真主要采用瞬態(tài)特性分析及直流掃描分析兩種方式。由于過(guò)壓欠壓保護(hù)電路的交流輸入電壓有效值在仿真過(guò)程中不能自動(dòng)地連續(xù)變化，且最大值有可能大于245 V，其對(duì)應(yīng)的峰值電壓Up也可能超出±347 V范圍，因此，兩種分析方式的電壓范圍與輸入電壓的峰值相對(duì)應(yīng)可設(shè)定為-370～+370 V，仿真時(shí)也可根據(jù)實(shí)際需要作適當(dāng)調(diào)整，仿真所得輸入電壓值均可作為正弦峰值而折合成輸入交流電壓的有效值。所以，在瞬態(tài)特性分析中市電輸入電壓源用分段線性電壓源Vs替代，負(fù)載所在電路電源仍采用正常的220 V市電。