电冰箱保护器的设计

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目 录

目 录 .................................................................... I 摘 要 ................................................................... 1 第1章 绪 论 ............................................................ 2 第2章 方案的设计及整机组成框图 .......................................... 3

2.1 方案的设计 .................................................................................................................. 3 2.2 设计的整机组成框图 .................................................................................................. 3 第3章 单元电路的设计 .................................................... 4

3.1电源部分 ....................................................................................................................... 4 3.2 比较器 .......................................................................................................................... 4 3.3 控制电路（555定时器） ........................................................................................... 6 3.4继电器 ........................................................................................................................... 7

3.4.1 继电器的选用 ..................................................................................................................... 8

第4章 设计电路工作原理及整机电路图 ...................................... 9

4.1电路的工作原理 ........................................................................................................... 9 ４.２ 电路整机电路图 .................................................................................................... 9 第5章 元件参数选择及实物制作 .......................................... 11

5.1 电路元件参数的选择计算 ........................................................................................ 11 5.2 PCB电路图 ................................................................................................................. 11 5.3 安装调试 .................................................................................................................... 12 总 结 .................................................................. 14 致 谢 .................................................................. 15 参考文献 ................................................................ 16 附录1 元器件清单 ........................................................ 17 附录2 电冰箱保护电路设计实物电路图 ...................................... 18

I

摘 要

简要介绍了电冰箱的内部结构及工作原理。并就电冰箱的各组成电路进行必要的检测和保护以达到电冰箱能在正常适宜的稳定环境中工作。本人对电冰箱可能出现的过压、过流、超温、以及断电等异常情况都有检测和相应的保护。利用Multisim仿真实现各保护电路之间的通信以达到对异常情况的智能化控制，并就设计和应用中应注意的一些问题作了研究和探讨，重点是对数据的采集和分析等问题。

设计中硬件电路比较简单,却还加上了Multisim仿真的中断控制,原因是当今社会已是一个智能化的社会,维修技术也越来越向智能化发展,修理汽车已经无须人工,只要一台电脑和一根数据线,所以我也在设计中考虑到这一点,将保护电路设计为由代码控制的智能电路,日后也能与电脑进行串行通信,已实现电冰箱维修的智能化。

关键词：比较器；555定时器；继电器

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第1章 绪 论

中国人喜欢大摆筵席招呼亲朋好友，可是太多的食物往往无法消受，电冰箱就成了最好的帮手。第一台电冰箱是１９２３年，由瑞典两位工程师浦拉腾和孟德斯制成的。1956年，国内第一台电冰箱在北京“雪花”冰箱厂研制成功。它不但可以储存剩饭剩菜、发扬节约的传统美德,而且还可以保存新鲜食品，为“懒人”们腾出更多的时间。不用多说，电冰箱的发展也是日新月异的，外形越发豪华美观，功能趋向完善，如抗菌、节能、０°Ｃ保鲜等。目前电冰箱广泛应用于家庭、医药卫生、商业和科研单位冷冻、冷藏设备。在日常生活中，人们对电冰箱的依赖性越来越高，但由于我国电力系统的不稳定性，给电冰箱的使用和保护带来了许多不便，不少电冰箱受到了不同程度的损坏，给家庭和社会带来了不小的损失。电冰箱自动保护器是随着电冰箱的不断普及而派生的一种专用保护装置。它的使用，大大延长的电冰箱的使用寿命，已经成为家庭必不可少的得力帮手。

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第2章 方案的设计及整机组成框图

2.1 方案的设计

电冰箱对电源的波动范围有一定要求，而供电源其波动幅度常常超出电冰箱的允许波动范围。为了保证电冰箱能安全工作于规定的电源范围，在其的供电源端接入保护电路非常必要。本设计介绍的是如何利用内部具有四个比较器的集成块LM339，定时器NE555，继电器等元器件设计一个电冰箱保护器，使电冰箱压缩机在运转时就算遇电网意外断电又迅速恢复供电，能起到延时供电的作用，从而防止压缩机受损。

2.2 设计的整机组成框图

本设计的总体结构框图主要部分，包括LM339 的两个比较器和RP2、RP3 等组成过电压、欠电压检测电路，其中L1A 比较器用于过电压检测，L1C 比较器用于欠电压检测；VT1 构成电子开关，其中LED 为电压指示灯，当电压在市电正常范围内（180V—280V），该灯发亮，否则会熄灭；NE555 时基电路组成延迟记忆电路，组成框图如图2-1所示。

图2-1 系统总体框图

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第3章 单元电路的设计

3.1电源部分

接通电源后，220V 交流电经变压器的降压、整流桥的整流、稳压器7812 的稳压后，用电压表可测得约12V直流工作电压，电源图如图3-1所示。

AC11D1Vs1VSIN42Vin+C24700u1U178L12VinGNDVout3Vout+C447uBRIDGE1AC2.3C10.1uC31u2.图3-1 电源图

3.2 比较器

本设计采用内部具有四个比较器的集成块LM339，该电压比较器的特点是： 1.失调电压小，典型值为2mV。

2.电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V。 3.对比较信号源的内阻限制较宽。 4.共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo。

5.差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压。 6.输出端电位可灵活方便地选用。

LM339集成块采用C-14型封装，。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。 LM339的引脚图如图3-2所示：

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图3-2 LM339的引脚图

LM339类似于增益不可调的运算放大器，每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。

本设计电路由两个LM339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（UR1UR2 或Uin双限比较器及波形图如图3-3所示：

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图3-3 双限比较器及波形图

双限比较器仿真图如图3-4所示：

R250k¦¸50%Key=A352412LM339MU1AR110k¦¸R1350k¦¸50%Key=B39U1C14812LM339M图3-4双限比较器仿真图

3.3 控制电路（555定时器）

本设计采用NE555集成块作为控制电路，NE555为8脚时基集成电路，各脚主要功能如表3-1所示。

表 3-1 NE555引脚功能表

引脚 1脚 2脚 3脚 引脚功能 接地GND 触发 输出 引脚 5脚 6脚 7脚 引脚功能 控制电压 门限(阈值) 放电 第 6 页

4脚 复位 8脚 电源电压Vcc、 NE555集成块引脚图如图3-6所示：

图3-6 NE555集成块引脚图

应用十分广泛，包括如下几种电路：

1．单稳类-----作用：定延时，消抖动，分（倍）频，脉冲输出，速率检测等。 2．双稳类-----作用：比较器，锁存器，反相器，方波输出及整形等。

3．无稳类-----作用：方波输出，电源变换，音响报警，玩具，电控测量，定时 等。

555电路在应用和工作方式上一般可归纳为三类。每类工作方式又有很多个不同的电路。在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可组合出很多不同电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。本设计选用双稳类电路，用NE555构成一个施密特触发器，施密特触发器图如图3-7所示。

图3-7 施密特触发器

3.4继电器

当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)继电器及非电气量(如温度、

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压力、速度等)继电器两大类。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 3.4.1 继电器的选用

1.先了解必要的条件

①控制电路的电源电压，能提供的最大电流。 ②被控制电路中的电压和电流。

③被控电路需要几组、什么形式的触点。选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。

2.查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考虑尺寸是否合适。

3.注意器具的容积。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品。

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第4章 设计电路工作原理及整机电路图

4.1电路的工作原理

本设计电路的工作原理：接通电源后，220V 交流电经变压器的降压、整流桥的整流、稳压器7812 的稳压后，在RP2 和RP3 两端可获得约12V直流工作电压。根据变压器的变压系数，调整电位器RP2 和RP3，使市电电压在正常范围内，上、下比较器都输出高电平，此时VT1 导通，电压指示灯LED 保持发亮。因为C1两端初始电压为0V，555 时基电路的阈值端6 脚为高电平，555 时基电路复位，三极管VT2 截止，继电器K1的常闭触点保持吸合，电冰箱电源被切断。然后电源向C1 充电，使2、6 两脚电位不断下降，约经过5min，可使电位降至12V电压的1/3，555 时基电路才置位，3 脚输出高电平，VT2 导通，继电器K1通电吸合，其常闭合触点K-1断开，电冰箱通电工作。当交流电网意外断电时，C1 储存电荷通过R2、D5 迅速泄放，当电网恢复供电时，电路又要延迟5min 左右才向电冰箱供电，从而确保电冰箱压缩机不受损坏。当市电电压升高到280V以上，上比较器输出低电平；市电电压下降到180V以下，下比较器输出低电平只要两者之一输出低电平，VT1截止，LED 熄灭。此时6 脚为高电平，555 时基电路复复位，输出端3 脚为低电平，电冰箱电源被切断，从而使电冰箱在电压过高或过低的情况下自动停止工作，保证了电冰箱能安全工作于规定的电源范围内。当电压恢复正常时，电路要延迟5min左右才向电冰箱供电。

４.２ 电路整机电路图

本设计的整机电路图如图4-1所示：

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图4-1 设计整机电路图

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第5章 元件参数选择及实物制作

5.1 电路元件参数的选择计算

设变压器的变压系数是20：1，整流后的输出电压u3≈1.2×u2, 当u1分别为220V、 180V、280V时，u2、u3、Va 的计算如下：

u1=220V u2=220÷20=11V u3=1.2×11=13.2V 则,Va=6.6V u1=280V u2=280÷20=14V u3=1.2×14 =16.8V 则,Va=8.4V u1=180V u2=180÷20=9V u3=1.2×9 =10.8V 则,Va=5.4V

因此可得，比较器的上限电压为8.4V,下限电压为5.4V。调节电位器RP2和RP3，使LM339 的5 脚电压为8.4V，8脚电压为5.4V，使电路在280V≤u1≤180V范围能正常工作。

电网由断电到恢复供电后，电冰箱要延迟一段时间才能正常工作，此延时时间τ由NE555 的外围电路C1和 R3 决定： τ≈1.1×R3×C1

电路要求延时5 分钟（即300秒），设C1=220μF,则R3 的阻值计算如下：

R3 = 300 ÷ ( 1.1×220×0.000001) ≈1.2×1000000Ω

5.2 PCB电路图

由于是用直流电进行测试，在制作电路版的过程中，我们把电路的变压器、整流电 路及稳压电路三部分除去，然后用绿色的发光二极管代替电冰箱作为负载，具体的电路 如下。绿色的LED 发光表示负载正常工作，蓝色的LED 发光表示负载不工作，其工作原理和上面的原理一样，其原理图如图4-1所示。

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图4-1 电路原理图

则该原理图的PCB 图如图4-2所示：

图4-2 原理图的PCB 图

5.3 安装调试

在制作前，首先根据设计方案用面包版进行连线，目的是为了检验设计的线路是否 正确，避免用万用板做成实物后要不断修改电路。

面包版连线完成后，确认连线以及各元器件的正负没有错误后（应当特别注意集成 块的地线和电源线），就开始调试了。调试的步骤如下：

先调试比较电路这一部分，在调试前要把三极管VT1 的集电极与二极管D5 相连线

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断开。然后接上12V 的直流电压，通过调节电位器RP2 、RP3，利用电压表可以确定比较器的上限电压（LM339 的5脚电压）和下限电压（LM339 的8脚电压），并且要求上限电压高于下限电压。这时，如果线路正确的话，通过调节RP1 的阻值，可以使发光二极管D1发光或者熄灭，其中D1发光代表输入的电压（LM339的4或9 脚电压）在上限和下限之间的范围内，D1 熄灭代表输入电压在范围外。如果该部分电路不正常工作的话，就要检查线路是否连接正确，确定连线正确后再调试，如果仍有问题，则检查LM339 的2 脚是否接上了上拉电阻，因为LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一个电阻，该电阻的大小会影响输出端高电位的值，电阻一般选3—15K。其次，还要检查集成块LM339 的3 脚和12 脚是否接上了电源的正极和负极。

当比较电路调试完毕后，就可以进行整机的调试。调试前还是要检查一遍电路的连线，然后接通电源，看电路是否正常工作，是否满足设计的要求。该电路正常工作的现象如下：

1.当输入电压由0 跳到正常电压的范围内，此时，D1（红色） 发光，D2（绿色，负载）仍不工作，大约经过5min 的时间才开始工作（发光），D3（蓝色）则与D2 相反；

2.当输入电压在范围外恢复到正常电压范围内时，工作情况与1相同；

3.当输入电压在正常范围内跳到电压范围外时，D1、D2 立即熄灭，D3 发光，说明负载停止工作；

4.当输入电压在正常范围内突然停电，所有的发光二极管都熄灭。 经过调试过后，

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总 结

本次设计充分调动我的主动性，以我为主体，在其能力所及范围内，反复思考，大量参阅文献和资料，充分发挥，结合实际情况，独立、创造性地进行逻辑电路的设计，然后确定方案，设计出电路图。

通过了本次低频电子线路的毕业设计，使我的理论知识更加牢固的同时，动手能力也得到了进一步的提高。

在这次设计中，从电路方案的选定、成品的制作、以至各部分功能的实现，都是分步完成的。先是把各部分功能一一实现，然后再接好总电路，实现整体功能，这样做可以化繁为简，减少出错的机会，即使出错了也比较容易发现，从而可以进行修改处理。加强了我的动手能力。更重要的是学会如何分析电路问题，查找并改正电路中的错误。

本次设计的电冰箱保护电路还有些不足之处，还可以在其之上加以改进，使功能更加完善。

通过这次设计，进一步巩固和加强了低频电子线路理论知识，也提高了在低频电子线路应用方面的实践技能，培养了综合运用理论知识解决实际问题的能力。

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致 谢

本次毕业设计能够顺利的完成，在此我要特别感谢我的毕业设计辅导老师王萍。作为一个大专生，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，王萍老师在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料，设计草案的确定和修改，做电子文档等整个过程中都给予了我悉心的指导。然后还要感谢大学所有的老师，为我们打下了应用电子专业知识的基础，此次毕业设计才会顺利完成。

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参考文献

[1] 陈有卿. 实用555 时基电路300 例 [M]. 北京：中国电力出版社，2005

[2] 谢自美. 电子线路设计·实验·测试（第二版）[M]. 武汉：华中科技大学出版社， 2003

[3]高鹏，安涛，寇怀成 . 电路设计与制版Protel 99 入门与提高[M]. 北京：人民邮 电出版社，2003

[4]徐磊，杨铮. 电工、电子技术实习与课程设计.北京：中国电力出版社，2005年 [5]张存礼，韩爱娟. 电子技术综合实训.北京：北京师范大学出版社，2004年

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附录1 元器件清单

元器件名称 变压器 元器件符号 Tr D4、D5 元器件标称值 12v 元器件型号 DB-I-28 IN4001 IN4001 NPN ＢＦ 元件数量 1 2 4 2 1 2 2 1 3 9013 0.01u 0.1u 220u 47u 10K 4.7K 1.2M 1K 50K 二极管 IN4001×4 三极管 VT1、VT2 C2 电容器 C3、C5 C1、C6 C4 R1、R5、R6 电阻 R2、R4 R3 R7、R8 ＲＴ 2 1 2 滑动变阻器 RP1、RP2、RP3 LIA、LIC RT LM339 3 2 1 1 3 1 34 芯片 N1 7812 NE555 7812 ＳＭＩ－１２ＶＤＣ－ＳＬ－Ａ 12v 发光二极管 继电器 总计 LED1、LED2、LED3 K1 第 17 页

附录2 电冰箱保护电路设计实物电路图

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