电冰箱保护器设计毕业设计
摘要：本文是在分析了目前国内电冰箱保护器研究的现状的基础上，设计的一 种集过压、欠压、延吋保护集于一体的多功能电冰箱保护器。文屮首先探讨 了冰箱保护器的价值和发展状况，并提出了设计的主要任务和要求。然后分 析了电网过、欠压或突然断电时，压缩机受到的影响，并根据其工作原理， 绘制电路原理图，并且进行元器件的选择和计算以及电路的调试，最后得出 结论。该电冰箱保护器具有电路结构简单、硬件调试方便、工作性能稳定等 优点。
关键词：电冰箱保护器；过压；欠压；延时
     
摘要    I
Abstract    II
第1章绪论    1
1.1课题背景    1
1.2课题的目的和意义    1
1.3设计任务与要求    2
1.3.1设计任务    2
1.3.2本课题研究的技术要求    3
本章小结    3
第2章方案选择    4
2.1方案选择    4
2.1.1电压取样鉴别单元的设计    4
2.1.2驱动单元的设计    5
2.1.3直流电源的设计    5
2.1.4延时屯路    5
2.2电冰箱保护器的方框图     5
本章小结    6
第3章    系统单元电路的设计与分析    7
3.1电压取样鉴别电路的设计    7
3.1.1COMS与非门电路    7
3.1.2电压取样鉴别电路及其工作原理    8
3.2基本RS触发器的设计    9
3.2.1电路组成及逻辑符号    9
3.2.2基本RS触发器工作原理    10
3.3延时电路的设计    11
3.3.1555定时器的外部管脚及电路结构    12
3.3.2555电路的工作原理    13
3.3.3555定时器构成的单稳态触发器及其工作原理    15
3.4驱动单元的设计    16
3.5直流电源的设计    16
3.5.1电源变压器    16
3.5.2整流电路    17
3.5.3滤波电路    18
3.5.4直流电源电路设计及工作原理    18
本章小结    19
第4章 整机工作原理    20
4.1整机电路原理图    20
4.2过压、欠压、断电运行状态分析    20
4.3整机工作原理    21
本章小结    23
第5章 系统的安装与调试    24
5.1电路元器件选择与计算    24
5.1.1 IC 的选择    24
5.1.2与非门G1〜G6的选择    24
5.1.3电压取样鉴别单元阻容元件的选择    24
5.1.4延时电路元件的选择    25
5.1.5驱动单元元器件选择和计算    25
5.1.6直流稳压电源元器件的选择和计算    26
5.2安装步骤    27
5.3整机调试    27
5.4调试中的问题及解决方法    28
本章小结    29
结论    30
致谢    31
参考文献    32
附录1译文    33
附录2英文参考资料    35
附录3整机电路原理图    38
附录 4 元器件表    39
第1章绪论
1.1课题背景
随着科技的发展，社会的进步和人们生活水平的不断提高。家用电器的 应用几乎遍及我们生活。而家用电器保护，则是发电、供电、用电系统的重 要器件。它几乎渗透到所有用电领域，是人民生活正常生产和安全工作的重 要保证，在国民经济和节能事业中有着不可替代的重要地位和作用。
说到家用电器，让我们不难想到电冰箱。在冰箱出现以前，我们一直在 为食品存放时间一久就会变得不再新鲜甚至腐败而烦恼。真正的电冰箱发明 于20年代，1920年，纽约布鲁克林一家平板印刷厂的一位名叫威利斯・H. 卡里尔的工程师，设计出一种能控制温度和湿度的系统。而我国电冰箱行业 是从50年代起步的，期间迅速发展壮大。从改革开放前只有雪花一家，到 80年代开始，海尔，海信，长虹，新飞等冰箱生产企业相继崛起，从而奠 定了我国制冷行业的基础。电冰箱行业的迅速发展，极大的提高了我国城乡 居民生活的质量。但是，从我国目前的供电情况来看，电网设备还不够完善, 供电电压不太稳定，电压波动值可能超出电冰箱的允许范围（我国规定供电 电压稳定度应该在正负百分之十），而且局部断电又时有发生，根据以上种 种原因就应运而生了电冰箱的自动保护器。
电冰箱易损坏或寿命短是困扰人们的一个问题。究其原因，供电电压波 动、瞬时断电是电冰箱损坏或寿命缩短的主要原因之一。而对于绝大多数家 用电冰箱来说，瞬时断电与电压波动几乎是不可避免的。为此，我们利用变 压器，再配以控制电路设计了一种自动稳压、自动延时的电冰箱保护器，该 多功能电冰箱保护器能够根据负载电流判断线路中的各种故障，并及时进行 保护，最大限度的降低对人们日常生活的影响，是一种经济实用的电冰箱保 护器。
1.2课题的目的和意义
电冰箱的驱动电机在一定的电压范围内才能正常工作，供电电压过高或 过低很容易导致绕组线圈烧毁；另外，当电冰箱正在工作时突然断电而又立 即通电时，电冰箱的压缩机所承受的启动电流要比正常启动电流大好几倍， 导致压缩泵内压力很高，使驱动电机负荷过载，也容易烧毁电机。从目前我 国供电情况来看，供电电压还不够稳定，而且局不断电时有发生，所以电冰 箱保护器具有重要的使用价值。电动机保护器不仅能保证电冰箱的稳定工 作，而且在工农业正常生产，提高生产效率和经济效益和在节能事业中也有 着重要意义。
1.3设计任务与要求
1.3.1设计任务
传统人们在用电时会因技术故障、人为故障、设备老化、质量低劣、自 然灾害等引起的电压过高过低、停电再来电而烧毁电器，甚至因此发生火灾 的问题，造成了人身的危害和资金的浪费。为了避免上述危险的发生，我们 应该给电冰箱配备一个冰箱保护器。该保护器的功能是：当电网电压过压 或欠压情况下，使家用电器的供电系统停止供电，当电网电压恢复正常后 使家用电器自动恢复供电；当家电正在工作时，一旦电源断电而又立即供 电时，本设计要使家用电器必须断电3〜5min后才能恢复供电。
本保护器的设计需要考虑下面几个方面的问题：
(1)合适性由于保护器的种类繁多，加之不同厂家生产的电机也有差 别。因此，能型电动机综合保护器应该有较好的适应性，即通过简单方便的 设置就可使保护器不同的保护特性的要求。
(2)正确性 为了充分发挥电机自身的过载能力，同时还要对电机进行 有效保护。要求保护器的动作要准确。不准确的动作或造成电机的损坏，或 不能充分发挥的过载能力，造成不必要的跳闸断电，影响生产。
(3)保障性这一方面要求保护器在无故障时不能产生误动作，而在故 障发生不能拒绝动作，特别是在过压、欠压和突然断电时。要在规定的时间 内，准确、可靠地完成规定的保护功能，并且，设计的合理性以及制造时的 工艺保证是非常重要的。
1.3.2本课题研究的技术要求
1、    当电网电压N250V或W170V时，能自动切断电源;
2、    当电网电压恢复正常后3-5分钟自动接通电源。
本章小结
本章为绪论，主要介绍电冰箱保护器的课题背景和该设计的实用价值, 以及介绍家用电器保护器在发电、供电、用屯系统的重要器件以及良好的商 业前景。最后介绍本课题的主要任务和需要完成的技术要求。
第2章方案选择
2.1方案选择
根据设计任务及要求，所设计的电冰箱自保护器的基本思想为：电网 电压在正常范围时，保护器不影响电冰箱的正常工作，而一旦电网电压》 250V或W170V时，保护器应立即切断用电器电源。正在工作的电冰箱一 旦断电又恢复供电时，保护器应延时3〜5min后再给电冰箱接通电源。不 论是保护器立即断电还是延时通电，都需要由继电器触电开关去控制驱动电 机，显然该保护器还应设有驱动继电器线圈的驱动电路。为此，本电路主 要由以下儿部分组成：电压取样鉴别单元、延时电路、驱动单元、直流供 电电源等。其主体方案示意图如图2-1所示。下面详细地介绍系统各部分 的组成及方案论证。

图2-1方案示意图

2.1.1电压取样鉴别单元的设计
本设计要求保护器能够对电网电压进行实时的监控，检测岀电网电压 的过、欠压异常，并根据电压的异常与否输出相应的控制信号。为此，必 须具备有电压取样鉴别电路，以便能及时准确的地按要求动作。对于取样 电路的选择方案有以下两种：
方案一
采用由比较器组成的差分比较电路，电路结构简单，方便调试。但延时 要用LED灯显示出来，用555定时器会在硬件连接上很有困难。
方案二
直接采用非门电容、电阻、电位器和二极管组成的采样电路是最简单的 采样电路。而且与555定时器会在硬件连接上更方便。
所以本设计采用非门电容、电阻、电位器和二极管组成的采样电路。
2.1.2驱动单元的设计
驱动单元主要实现对负载供电线路通断状态的控制。在本设计中驱动 单元主要由直流继电器和该继电器的驱动电路组成。
2.1.3直流电源的设计
本设计要求保护器在过、欠压状态下均能够正常的工作，因此保护器 自身的供电电源必须平稳可靠。可采用串联式直流稳压电源。由于驱动电 路与触发器所用供电电压的不同，该直流电源有两路稳压电路输出不同稳 压值的电压，该电源的基本组成为电源变压器，桥式整流，电容滤波和稳 压电路I和稳压电路II O
2.1.4延时电路
正在工作的电冰箱一旦断电又恢复供电时，保护器应延时3-5分钟 后自动给电冰箱接通电源，这就必须具有延时电路。延时电路可采用单稳 态触发器，为了减少体积，性能稳定，釆用555定时器构成的单稳态触发 器电路为好。
2.2电冰箱保护器的方框图
通过对本设计具体要求的分析和对各部分电路实现方案的考虑。电冰 箱保护器的电路方框图如图2-2所示。直流24V 直流10V
图2.2电冰箱保护器方块图

本章小结
本章介绍了电冰箱保护器的设计思路、方案选择和最终确定的系统方 框图。并把电路分成几部分来分别讨论，已达到简化电路的目的。通过多 方面的比较选出合理的方案。该保护方案中包含直流电源、取样电路、延时 电路、控制电路四部分。其中直流电源部分主要是把交流电转换成直流电， 取样电路是保护电冰箱在正常的电压下工作，延时电路是在电路断相时来保 护电冰箱，控制部分是对上述三个部分正常运行。通过方案选择最终确定电 路的整体思路，将分立的各个模块综合在一起最后得到整体电路。
第3章 系统单元电路的设计与分析
3.1电压取样鉴别电路的设计
电压取样鉴别电路：该部分电路的主要功能是当电网电压3250V和 W170V时，向驱动单元提供驱动信号，使继电器触电动作，电冰箱断电; 当电网恢复供电时，为延时电路输入一个脉冲下降沿，以便延时电路工作, 使用电冰箱经3~5min才能通电。
3.1.1 COMS与非门电路
1.电路组成及符号
图3-1所示是CMOS与非门的电路结构和符号。在图3-1 (a)屮， 两个P沟道增强型MOS管Tp” TP?并联，两个N沟道增强型MOS管 丁海串联，Ip?、丁海的栅极连接起来成为输入端A, Tp|、Te的栅极连接起 来是输入端B。图3-1 (b)所示是与非门的逻辑符号。
2.工作原理
在图3-1 (a)中，A、B两点电压只要有一个为低电平0V, tn]. tn2 中就总有一个截止，Tp|、Tm中就总有一个导通，因此Y电输出一定为高 点平(电源电压Vdd);只有当A、B两点电压同时为高电平时，tni. tn2 才会都导通，Tpi、Tp2才会都截止，Y点才会为低电平0V。综上所述， 可得如表3-1所示真值表。

由表3-1可看出与非门的逻辑功能是：当输入端屮有一个或一个以上 是低电平时，输出端为高电平；只有当输入端全部为高电平时，输出端才 是低电平（即有“0”得“1”，全为“1”得“0”。）。
其逻辑表达式为：
Y二    公式 （3.1）
3.1.2电压取样鉴别电路及其工作原理
该单元电路由与非门5〜G3、电容J〜C3、电阻g〜恥、电位器Rp】 和Rp2、二极管VD|组成，具体电路如图3-2所示。具体电路工作原理如 下：

图3-2电压取样鉴别电路

1 .当市网电压正常时
电源接通之后，正常的220V电压经电阻匕，R?和R,分压后，R?由两端 取出约40V的交流电压，经VD|半波整流再经C|、C「及R』    滤波后成为直
流取样电压,使图中uA =（10-13） V, uB<uTH1 （与非门5的转折电压，对于 CMOS门，阈值电压约等于直流电源电压的一半，即uthi=o.5vdd ）,uc>uTH2 （与非门'的转折电压），故门6输出“1"电平，门G：输出“0”电平，该信 号作为控制信号送往延时电路，此信号使延时电路不动作。门G,输出“1” 电平，该信号作为基本RS触发器的控制脉冲改变其状态。
2.当市网电压N250V或W170V时
由于电网电压升高，使直流取样电压也相应升高，因而使 uB>uTHI,uc>uTH2>门5输出为“0”电平，门巳输出为“1”电平，Ng3 输出“0”电平；由于电网电压降低，使直流取样电压相应降低，因而使L < uTHI （这时uB <uTH1）    门g,输出“1”电平，门输出为“0”电平。当市网
电压当市网电压N250V或W170V时，门G,输出由“0”电平翻转为“1”电 平，该脉冲下降沿作为延时电路的触发信号，使延时电路工作。门G’输出为 “0”电平，该信号与延时电路输岀的信号一起控制基本RS触发器的状态， 启动断电保护。
3.2基本RS触发器的设计
该部分电路受电压取样鉴别电路的控制，主要用于记忆和产生控制信 号送给驱动电路。
3.2.1电路组成及逻辑符号
 ffl 3-3（a）所示是用两个与非门交叉撃起来构成的基本RS触发器。 农、，是信号输入端，低电平有效，q和a是两个互补的信号输出端。 图3-3 （b）所示是基本RS触发器的逻辑符号。

图3-3由与非门构成的基本RS触发器
3.2.2基本RS触发器工作原理
1.电路有两个稳定状态电路无输入信号即A D = S D =1时，有两个稳定 状态。
(1)0状态
当Q=0、a = l的状态定义为0状态。由于Q=0送到了与非门G2的 输入端，使之截至，保证8 = 1,而8 = 1和，d=1 一起使与非门G1导通, 维持Q=0,显然电路的这种状态可以自己保持，是稳定的。
(2)1状态
当Q=l、8=0的状态定义为1状态。由于8=0送到了与非门G1的 输入吵，使之截至，保证Q=l,而8=0和Ed=1 一起使与非门G2导通， 维持8=0,显然电路的这种状态也可以自己保持，是稳定的。
2.电路接收输入信号过程
(卩接收信号过程         
当农d=1、，d=。时，触发器将变成1状态，即将有Q=l、8=0.
当农d=1、，d=0时，如果触发器原来是处在0状态，则根据与非门 的逻辑特性(有0出1,全、出0),可以肯定G1输出为高电平、门G2 输出为低电平，即有Q=l、6=0;如果触发器原来就处在1状态，则仍 保持1状态，即仍有Q=l、Q=0o
(2)接收亳0信号过程         
当农d=1、，d=0时，触发器将变成1状态，即将有Q=l、8=0.
当农d=1、；d=0时，如果触发器原来是处在0状态，则仍保持。状 态不变即，Q=0, 8 = 1的状态不会变；如果触发器原来是处在1状态，则 悭据与非门的逻辑特性，肯定门G2输出将为高电平，即8 = 1,而8 = 1和 ；d=1又会导致门G1输出为低电平，即Q=0。
由基本RS触发器的工作原理分析，可以很容易的列出表3-2,该基 本RS触发器的特性表直观的反映了基本RS触发器两输入信号R和S与 触发器接收信号之前所处的现态(Q")及触发器接收输入信号之后所处 的现态Q"'之间的关系。

3.3延时电路的设计
延时电路主要用于电网突然断电又立即恢复供电而烧毁家用电器。本 屯路可采用单稳态触发器来实现。为减小体积和性能的稳定，采用555 定时器构成的单稳态电路。
为防止因断屯后又立即通电而烧毁电机，因此要用延时电路。该延时电 路由555定时器IC、电容c7 - c10 >电阻r |2 ~ R |4等组成。该电路是一个负 脉冲触发的单稳态延时电路，它的工作原理如下：

图3-4单稳态触发器波形图
1.当电网电压从大于240V降至略小于240V时，由于％ < uTH1,门5的 状态翻转，输出为“1”电平，门S由输出“1”变为输出“0”（这时有 uc >uTH2）,通过q给555定时器IC的2脚送入一个负脉冲，则3脚变为 “1”电平。同时放电管截止，直流电源Vdd经电阻Ru对电容c,充电，Ud
（uC7 ）上升。经5分钟后，uq/3uDD ,555电路状态翻转，3脚恢复为“0” 电平，输出一个负脉冲，经电容q送至RS触发器，使如=0 （这时因G?输 出“0”电平，G’输出为“1”电平，即蒔=丨）,迫使RS触发器翻为“1”状 态（Q=l）,门G。及G,输出“0”状态，「及匸截止，继电器常闭触点闭合， 电冰箱恢复工作。这里555定时器3脚“1”电平的保持时间（放电管Td的 截止时间）仅与电阻Rb和电容3的乘积成正比，而与直流电源电压Vdd的 大小无关。调整R。，可以延时5分钟。单稳态触发器的工作波型见图5所示。 其中卩°为2脚电压，卩。为3脚电压，卩°为7脚电压的波形。
2.若电网电压从小于180V上升到大于180V时，Uc>Ut"（这时 UB<UTH1,门G1输出“1”电平），门G?输出“0”电平，通过G,也为555 定时器IC的2脚送入一个负脉冲，接下来的过程与上述过程相同，电冰箱 又恢复工作。
3.3.1 555定时器的外部管脚及电路结构
1.555定时器的外部管脚。555定时器是一种中规模集成电路，只要 在外部配上适当阻容元件，就可以方便的构成脉冲产生和整形电路，在工 业控制、定时、仿声、电子乐器及防盗报警等方面应用广泛。555定时器 的外引脚排列图如表3-3。
表3-3 NE555定时器的外引脚排列表

2.555定时器的电路结构。图3-5给出的是555集成定时器的内部电路 结构图，它主要由以下五部分组成：
（1）    基本RS触发器
     由两个与非门组成，»。是专门设置的可从外部进行置0的复位端， 当 R D = 0 时，使 Q=0、Q =1 O
（2）    比较器
Al、A2是两个电压比较器。比较器有两个输入端，分别标有+号和- 号，如果用U+和U-表示相应输入端上所加的电压，则当U+>U—时其输 出为高电平，当U+vU_时输出为低电平，两个输入端基本上不向外电路
索取电流，即输入电阻趋近于无穷大。
(3)分压器
三个阻值均为5k。的电阻串联起来构成分压器(555也因此得名)， 为比较器Al、A2提供参考电压，A1之+端U+=2/3Vcc、A2之一端U_ = 1/3 Vcco如果在电压控制端CO另加控制电压，则可改变Al、A2的参考 电压。工作中不使用CO, 一般都通过一个O.Olp F电容接地，以旁路高 频干扰。
(4)晶体管开关和输出缓冲器              
晶体管T构成开关，其状态受6端控制，当6为0时截止、为1时导 通，输出缓冲器就是接在输出端的反相器，其作用是提高定时器的带负载 能力和隔离负载对定时器的影响。
综上所述可知，555旧时器不仅提供了一个复位电平为2/3Vcc、置 位电平为l/3Vcc,且可通过E端直接从外部进行置0的基本RS触发器，而 且还给出了一个状态受该触发器8端控制的晶体管开关。因此使用起来极 为灵活。

3.3.2 555电路的工作原理
555电路的内部电路结构图如图3-5所示。它含有两个电压比较器， 一个基本RS触发器，一个放电开关管To比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成的分压器提供。它们分别使高电平比较器A1的同相输入 端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2/3Vcc和l/3Vcco A1 与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6 脚，即高电平触发端输入并超过参考电平2/3Vcc时，触发器复位，555 的输岀端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信号自2脚输入 并低于l/3Vcc时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关 管截止。
Rd是复位端（4脚），当Rd = O，555定时器输出低电平。平时r d 端开路或接高电平。
CO是控制电压端（5脚），平时输出2/3Vcc作为比较器A1的参考 电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现 对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01|J f的电容器 到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。
T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。 555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测 电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方 便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多 谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。它的基本功能表如 表3-4所示。

图3-6 NE555构成单稳态触发器
上图3-6所示，为由NE555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳
态触发器。D为钳位二极管，稳态时NE555电路输入端处于电源电平， 内部放电开关管T导通，输出端V。输出低电平，当有一个外部负脉冲触 发信号（由电压取样鉴别电路提供）加到Vi端。并使2端电位瞬时低于 l/3Vcc，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C 开始充电，Vc按指数规律增长。当Vc充电到2/3Vcc时，高电平比较器 动作，比较器A1翻转，输岀V。从高电平返回低电平，放电开关管T重 新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定， 为下个触发脉冲的来到作好准备。波形图如图3-7所示。

图3-7单稳态触发器工作波形图
暂稳态的持续时间Tw （即为延时时冋）决定于外接元件R、C的大 小。
Tw = 1.1RC    公式（3-3）
通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变 化。555构成的单稳态触发器工作波形图如图3-7所示。
3.4驱动单元的设计
该单元电路由三极管气和乙、与非门。6、二极管D/继电器K和电阻 Rn组成。该电路的主要功能是：通过RS触发器的输出端（Q）的状态，经 门G6反相后控制「、T?的饱和导通或截止，使继电器线圈K中有电流或无 电流，从而使其常闭触点断开或闭合，电冰箱处于停止或工作状态。D?是 续流二极管，其作用是：当二极管「及L由导通变截止时，继电器线圈中 的电流不会突然中断，在其线圈两端会产生上负下正的自感电压，由于该电 压很高，可能会击穿三极管气和匸。有续流二极管时，自感电压的极性使D2 导通，给继电器线圈中的电流（电感中的电流不能突变）提供了通路（续流）, 使线圈中的磁场能量慢慢释放，因而线圈两端不会产生高的自感电压，或者 说由于D,的导通使线圈两端电压被钳制（大小为U”），「和L就不会被击 穿了。
3.5直流电源的设计
直流稳压电源提供整个保护器各部分工作的直流电压。电网电压经电 源变压器降压，桥式整流，电容器滤波，稳压电路I得到约为24V的直 流电压提供给驱动电路和直流继电器工作电压，再经稳压电路II得到约为 10V的电压供给基本RS触发器和延时电路。它需要经过变压、整流、滤 波、稳压四个环节才能完成。
3.5.1电源变压器
图3-8所示为一降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需 要的交流电压，并送给整流电路。该电源变压器降压电路的工作原理是： 在开关S1闭合时，220V交流市电经S1 （图中未闭合）加到电源变压器 T1的一次绕组两端，交流电流经S1从一次绕组的上端流入，从一次绕组 的下端流出。由于变压器绕组的互感作用，在变压器的二次绕组两端输出一个较低的交流电压。

3.5.2整流电路
整流就是利用二极管的单向导电性将交流电压变换成脉动的直流电 压。
单相桥式整流电路是工程上最常用的电箱整流电路。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，由图如图3-9可知：
当正半周时，二极管DI、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（DI、D3截止），在负载电阻上
得到正弦波的负半周。在负载电阻上正、负半周经过合成, 个方向的单向脉动电压。
图3.9桥式整流电路及波形图

3.5.3滤波电路
通常利用电容或电感元件的电抗特性，将整流电路输出的脉动直流电 压中的大部分交流成分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电 能储存在电容器中；当外加电压失去(或降低)之后，电容器将把储存的 电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电 电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。这种电 容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。图3-10
(a)是最简单的电容滤波电路，电容器与负载电阻并联，接在桥式整流 整流电路后面。在二极管DI、D3导通期间，E2向负载电阻Rfz提供电 流的同时，向电容器C充电，一直充到最大值。E2达到最大值以后逐渐 下降；而电容器两端电压不能突然变化，仍然保持较高电压。这时，二极 管DI、D3受反向电压，不能导通，于是Uc便通过负载电阻Rfz放电。 由于C和Rfz较大，放电速度很慢，在E2下降期间里，电容器C上的电 压降得不多。当E2负半周经桥式整流后来到并升高到大于Uc时，又再 次对电容器充电。如此重复，电容器C两端(即负载电阻Rfz两端)便 保持了一个较平稳的电压，在波形图上呈现出比较平滑的波形。图3-10
(b)所示为全波整流时电容滤波前后的输出波形。
图3-10电容滤波电路及工作波形图

3.5.4直流电源电路设计及工作原理
该电源由变压器T、整流二极管D3〜D。、稳压管Dzi_Dz3、调整管 t3 ~ t5 .电容〜孔及电阻R.与R”组成。该电路的主要功能是产生两种 大小不同的直流电压：E点输出电压Ue=22V，供给驱动单元；F点输出电 压Uf=11V,作为与非门°〜％和555定时器IC的电源电压。直流稳压电源
电路的工作原理如下：
1.由变压器T、整流管D’〜D。、电容》组成全波桥式整流电容滤波电路。 220V的交流电压经降压变压器降压后，又经久6组成的整流桥，输出脉 动的电压，再经上的滤波，便在其两端（即稳压电路的输入端）获得直流 电压。为了能在电网电压波动或负载电流变化时，该电源所输出的直流电压 基本稳定，必须设有稳压电路。
2.由T3 ~ T5 > Dzi〜Dz2、电容C|2和C|3、电阻R&和R|6构成了基本调 整 管串联型稳压电路。其中T’和组成复合调整管，与。〃，Dzz及电阻R15 构成第一级稳压电路，在E点输出22V直流电压。它的特点是Ue与稳压管 稳压值Uz是“跟随”的关系，所以只要稳压管电压Uzi、Uz2保持稳定，则 当电网电压和负载电流在…定范围内变化时，UE也能基本稳定。由于加了 射极跟随器，使稳压电路带负载能力增强了。同理「，Dz3，R|6又组成了 第二级稳压电路，在F点输出11V的直流电压。电容c.和C”是为了改进稳 压电路的暂态响应而设置的，即瞬时增减负载电流时不至于引起输出电压有 较大的波动。
本章小结
本章主要对各单元电路模块的设计、电路实现原理以及实现各部分电 路所用的元器件进行介绍，在具体电路中，实现每个技术指标都会有不同 的方案，但根据实际情况，则需选择最适合的。实验证明本设计中各单元 电路设计方案正确可行，各项指标稳定可靠。
第4章整机工作原理
4.1整机电路原理图
电冰箱保护器的整机电路原理图详见附录3。
4.2过压、欠压、断电运行状态分析
电冰箱是一种间歇工作的家庭电器，在接通电源后，其压缩电动机处于 启动、运行、终止的反复循环过程。根据我国家用电冰箱技术标准的规定， 电冰箱的电源电压应在175〜235V范围内才能保证电冰箱的正常启动和运 行。为什么要对电冰箱的电源条件做出规定呢？这是由于电冰箱的压缩机作 为电动制冷器具的核心部件，其工作的安全性不仅关系到用户的财产安全，而 且关系到用户的人身安全，并且压缩机都是在负载条件下启动的。启动时要 求电动机启动转矩较大，启动电流常可达到额定工作电流的三至七倍。在供 电紧张地区或用电高峰时间里，电网电压会变得很低，但有时候，电网电压 又会变得很高。
如果在电源电压低于允许的下限值的情况下启动，会因启动转矩不足， 造成电动机启动困难，势必迫使电动机的启动电流成倍增长，超过设计的允 许的限度。电冰箱内设的热保护装置对这种瞬间大电流的反应较差，因而极 易造成压缩机绕组的烧毁。当电源电压高于允许的上限值的情况下启动时， 电动机绕组因电流过载也同样会出现发热而破坏绝缘的现象，对压缩机的寿 命都是有害的，严重时也会烧毁电动机。
过压、欠压保护器就是应运而生的一种辅助性电器。当电网出现欠压或 过压时，应用敏感于电网电压的基本特性，过压欠压保护器及时将电冰箱的 电源切断，以保护电冰箱免受非常规电压的破坏。
在电冰箱的压缩机处于工作状态时，不允许在电源突然中断后的短时间 内重新接通电源。因为压缩机工作时，压缩泵一侧自蒸发器将低压制冷剂蒸 发抽出，经过压缩成为高温高压蒸汽，自另一侧送往冷凝器，实现向空间排 热。两侧压力差最大时可达到十一个大气压，压缩机屮断运行后，须经一定 的时间才能恢复两侧的平衡，最好保持在五分钟左右，确保了压缩机在轻载 状态下起动；倘若压缩机运行中出现断电后又很快接通的情况，由于两侧存 在很大的压力差，电动机启动时的负载很大，启动电流较正常值成倍增加， 从而带来烧毁电动机的危险。
电冰箱在出售时，生产厂家一般都不配备断电保护器，市场上销售的断 电保护器，一般也都不具备智能延迟作用。一般的断电保护器，在电冰箱停 电后复电，不管停电时间多久，它都要延迟3分钟左右才能接通电源，显得 非常机械，人们希望在刚刚断电的最近3分钟之内能对电冰箱进行保护，不 允许通电，而3分钟之后，则要求一旦来电压缩机能马上通电起动运转，以 便在电冰箱室内的温度下降的最短时间内恢复制冷，既能保证食物不至于变 质，又可节约电能。
4.3整机工作原理
1.当电网电压在正常范围内时
电源刚接通的瞬间，电容C6上的电压不能突变，因ffiuC6 = o,所以 门6输出（也是基本RS触发器的输出端Q） “1”状态，6的输出“0” 状态，三极管VT,. VT?截止，继电器常闭触点不打开，电冰箱得以供电 可以启动。
电源接通之后，正常的电网电压经电阻R|、恥和R3分压后，由恥两 端取出约40V的交流电压，经VD］半波整流再经G、q及滤波后成为直 流取样电压,使图中Ua=（10〜13） V, uB<uTHI （-^非门G|的转折电压，对于 CMOS门，阈值电压约等于直流电源电压的一•半，即uthi=o.5Vdd ）,uc>uTH2 （与非门G2的转折电压），故门5输出“1”电平，门们输出“0”电平,门G’、 G、输出（RS触发器的Bd端）“1”电平；因为G：输出“0”电平，这时 555定时器2脚始终为低电平，其输出端3脚输岀仍为“0”电平，电容 两端电压@为零，使门6输入（RS触发器的；d端）为“1”电平，所以 RS触发器8端保持初始“0”状态，继电器K仍不吸合，其常闭触点仍闭 合，屯冰箱得以继续工作。
2.当电网电压3250V时
由于电网电压升高，使直流取样电压也相应升高，因而使 UB > UTH|,UC > UTH2>门5输出为“0"电平，门G 2输出为“1"电平， 门G3、G,输岀"0”电平，基本RS触发器R D=0，而这时c 6仍未充电， 仍然保持“0”，所以触发器的6输岀翻转成“1”状态，使V］和VT?饱 和导通，继电器K吸合，常闭触点K|及K：断开，电冰箱断电而停止工作。
3.当电网电压W170V时
由于电网电压降低，使直流取样电压相应降低，因而使uc <uTH1 （这 时uB <uTH1）,使门G?输出“1"电平，门S输出为“0"电平，也同样 迫使触发器翻转为“0”电平，使门G6输出为“1”电平，V］及V］饱和 导通，继电器K吸合，常闭触点匕、孔断开，电冰箱停止工作。
4.当电网电压从大于250V降至略小于250V时
由uB <uTH1,门5的状态翻转，输出为“1"电平，门G2由输出“1" 变为输出“0” （这时有u c > u TH 2 ）,通过q给555定时器IC的2脚送 入一个脉冲下降打，则555定时器3脚变为丫”电平（&=1），门6输 出为“1”电平（",=1），使基本RS触发器&端输出“1”电平，三极管 vt,. 饱和导通，继电器常闭触点断开，家用电器仍停止供电。555 定时器3脚变为“1”电平的同时放电管截止，直流电源Vdd经电阻R|3对 电容c,充电，uD （ uC7 ）上升。经5分钟后，Ud>2/3Vdd ,555电路状态翻 转，3脚恢复为“0”电平，经电容q遂至RS触发器，使，d?0,这时因G, 输出“0”电平，G 3输出为“1”电平，即島=1,迫使RS触发器8端翻为“0” 状态，VT|及VT?截止，继电器常闭触点闭合，电冰箱恢复工作。这里555 定时器3脚“1”电平的保持时间（放电管Td的截止时间）仅与电阻R.和 电容c,的乘积成正比，而与直流电源电压Vdd的大小无关。调整R,，可以 延时5分钟。单稳态触发器的工作波型见图3-7所示。其中Vi为2脚电 压，Vc为3脚电压，Vo为7脚电压的波形。
5.当电网电压从小于170V升至略大于170V时
由于电网电压升高，使直流取样电压相应上升，因而使Uc （这 时Ub < u? ） , G?输出为“1”电平，门G,输出为“0”电平，也同样迫 使触发器a端翻转为“1”电平，使VT|及VT?饱和导通，继电器K吸合， 常闭触点K|、K2断开，电冰箱停止工作。经过555定时器延时3〜5分钟 后，RS触发器状态翻转，V］及vt?截止，继电器常闭触点闭合，电冰箱 恢复工作。
6.当电网电压突然断电又立即供电时，门七的输岀端状态由“1”电 平翻转为“0”电平，输出一个脉冲下降沿触发信号经电容J送往555延 时电路的2脚，使555定时器3脚输岀“1”电平，此时门G’、G,输岀为
“牛 电平，使基本RS触发器8端输岀“1”电平，经过3〜5分钟延时 后8输岀变为“0”电平，屯冰箱恢复供电。本设计使电网电压恢复供电 3〜5分钟后家用电器才得以通电工作，起到了良好的保护作用。
本章小结
本章主要介绍了家电保护器的整机电路及其原理。
电冰箱保护器基本工作原理为：电网电压由取样电阻分压整流滤波后 成为直流取样电压，该电压直接反应反应电网电压的变化，利用CMOS 与非门的转折电压等于直流电源电压的一半的特点，将该模拟直流电压转 换为数字控制电压，从门S输出的信号通过电容Q送到555定时器构成 的单稳态聲发器的的2脚，555定时器的3脚输出状态控制基本RS』虫发 器输入端h的状态：门们输出的信号控制基本RS触发器的输入端房的 状态。
当电网电压发生变化时，门S输出信号之发生变化，控制555定 时器3脚寧出电平（基本RS触发器输入端八的状态），基查RS触发器 的输入端房也发生变化，两路信号共同改变基本RS触发器a端输出电平 去控制直流继电器的状态，从而实现电冰箱保护器的保护功能。
第5章系统的安装与调试
5.1电路元器件选择与计算
5.1.1 IC的选择
定时器IC选用NE555o
5.1.2与非门G1〜G6的选择
与非门G1〜G6可分别选用四2输入的CMOS与非门，其型号选 CC4011o
5.1.3电压取样鉴别单元阻容元件的选择

5.2安装步骤
1.检查元件的好坏
按电路图买好元件后，首先检查买回元件的好坏，按不同元件的检测 方法分别进行检测，而且要认真核对与原理图是否一致，在检查好后才可 上件、焊件，防止出现错误后不便改正。
2.放置、焊接元器件
按电路布线图的位置放置各个元器件，在放置过程中要先放置、焊接 较低的元件，后焊较高的元件和要求较高的元件。特别是容易损坏的元件 要后焊。需焊接集成芯片时，首先将集成芯片座焊到电路板上，在电路全 部焊接完成且检查无误后，再将芯片牢固、准确的安装到芯片座上，注意 芯片的安装方向。
5.3整机调试
1.安装时先暂不将电容q电路中，当焊接完毕且检查无误后方可进 行调试。
2.首先调试电压取样鉴别单元
将电位器RW1、RW2的调节端置于中点位置，将市电接入可将市网电 压220V调节为170V〜250V输出的调压器的输入端，调压器的输出端与家 电限电保护器的市电输入端相接。
把调压器的输出调在220V,测量图中A点电压七应在12V左右， 若偏差较大，可改变电阻歸和电容q的数值，但歸和J不能调的太大， 如果它们的时间常数太大，将会使保护器工作时的动作过分迟缓，不能起 到保护作用；R,, J的值亦不可调的过小，以免保护器受电网电压中干 扰脉冲的影响产生误动作。
超压点的调试。将调压器输出电压调高，使之升高到250Vo缓慢调 节电位器Rpi至门6输出由“1”翻转为“0”时停止。使门S输虬“1” 电平，门、G,输出“0”电平，基本RS触发器输出状态翻转，a输出 端为“1”电平，使三极管VT" VT?组成的复合管饱和导通，继电器吸合,
用电器供电断路；在调节调压器使其输出电压略低于250V,使门5又恢 复为输出“1”电平。由于尚未与延时电路相连，RS触发器的状态f能恢 复到初态，故要用导线把C6短接一下，输入一个负脉冲，使触发器6端恢 复到初态后，才能再次做过压试验。如此反复进行几次，即可将过压点调 的很准。
欠压点的调试。将调压器的输出电压调低，使之降为170V。缓慢调 节电位器Rp2至门S输出由“0”屮平刚翻转为“1”电平时停止，使门G’， G,输出为“0”电平，RS触发器&端状态随之翻转输出1”电平，继电器 K吸合；再调节调压器的输出电压，使其值略高于170V,使门们输出又 为“0”电平。再用导线短接一下C。，使RS触发器恢复到初态。如此反 复几次，欠压点也可调好。
3.再调延时电路
把NE555定时器的低电平输入端2脚与地短接一下，输入一个负脉 冲，定时器输出端3脚立即由“0”电平翻转为“1”电平，延时一定的时 间后，又恢复到“0”电平。由于电容c,的容量误差及漏电流等原因，延 时时间并不一致，可以调节电阻R.的大小来确定延时时间。
当c7 =100|iF , r I, =1.6~2.7Mq 时，可获得3〜5min的延时时间。
4.最后整机调试
将电容G接入电路中，分别调节调压器的输出电压为250V和170V, 继电器K均应吸合；当调压器输出电压略小于250V或略大于170V时， 延时3〜5min后继电器K均应释放，说明家用电器自动限电保护器的各 项功能指标已实现。
5.抗干扰实验
把调压器的输出电压调在220V,此时继电器K处于释放状态，再 将调压器的调压旋柄分别快速旋向270V （可以通过另一个调压器获得） 或120V处又立即返回220V，保护器应不产生误动作。
5.4调试中的问题及解决方法
1.故障现象：市网电压超、欠压时电路不能够实现断电保护功能 检查原因：集成芯片无供电电压，与非门和555定时器不工作 解决方法：由于三极管VT,集电极供电线路断路导致直流稳压电源F 点无输出电压，通过对电路各个部分的认真检查找出断路点并重新进行连 接。
2.故障现象：市网电压超、欠压恢复正常时，延时电路不工作
检查原因：555定时器输入端无触发信号
解决方法：通过对电路的认真检查和对电路图的认真分析最终确定故 障原因555定时器信号输入端2脚外接电容器q对地短路，分析电路并 查找短路位置并将电容q正确接入电路。
3.故障现象：直流继电器不断的导通、截止发出很大的噪音
检查原因：基本RS触发器输出状态不稳定
解迭方法：通过对设计电路图与硬件电路进行对照分析发现基本RS触 发器的爲输入端电路，导致触发器输出状态不定。将与非门G,的输出端与 基本RS触发器的爲输入端相连接后故障排除。

本章小结
本章首先电路中所用元器件的选择与计算进行了详细的说明，其次对 电路的焊接安装进行了系统的阐述，最后对电路的调试步骤与调试中注意的 问题进行了主要的讲解，并对调试电路中出现的问题提出了解决的方案。

结论
随着我国人们生活水平的提高，电冰箱已经逐渐成为我国广大居民家 庭生活必备的一种家用电器。然而，电冰箱的驱动电机在一定的电压范围 内才能正常工作，供电电压过高或过低很容易导致绕组线圈烧毁。因此， 电冰箱易损坏或寿命短是困扰人们的一个问题。究其原因，供电电压波动、 瞬时断电是电冰箱损坏或寿命缩短的主要原因之一。而对于绝大多数家用 电冰箱来说，瞬时断电与电压波动几乎是不可避免的。为此，我们利用变 压器，再配以控制电路设计了一种自动稳压、自动延时的电冰箱保护器， 该多功能电冰箱保护器能够根据负载电流判断线路中的各种故障并及时 进行保护，最大限度的降低对人们日常生活的影响，是一种经济实用的电 冰箱保护器。
本保护器经过检测和分析，确认它有自动保护功能，它能在市电电压 低于170V或高于250V时，自动切断负载的供电线路，可防止用电设备 内欠电压或者过电压而损坏。当电冰箱突然断电以后，它有延时一段时间 才开始向电冰箱供电，同时当电冰箱箱体漏电时，保护器指示灯亮，保护 人身安全。
此次毕业设计是对我大学期间所掌握的理论知识与实际能力相结合的 再一次尝试，同时也是一个用实践检验理论知识的平台。通过三个月的努力, 我按要求完成了毕业设计的任务，它使我掌握了设计一个电路的基本方法和 基本步骤，增强了在实际设计中寻找问题，解决问题的能力。此次毕业设计 的成功不仅帮助我们更好地掌握了书本知识，尤其重要的是增强了我的自 信，培养了我独立思考的能力。

致谢
短短的儿个月毕业设计已经接近尾声了，在此要特别感谢我的指导老 师，••武教授。因为我申请了校外实习，所以关于写毕业论文都是在校外 进行的。为了能高效的完成任务，所以在写论文过程中所遇到的困难及应该 怎样解决的…些问题上面，都是吕老师不惜自己下班的时间通过电话帮我讲 解的。在这里谢谢您。在整个毕业设计过程中，我得到了许多人的帮助，在每一阶段的检查中 都给我提出了宝贵的建议，特别在论文撰写的最后关头，得到教学秘书赵立 新老师的帮助，在此一并感谢。
毕业设计是对我在大学期间所学知识进行总结，在毕设这一过程中，我 巩固了以前学过的知识，同时对电路的设计也有了更深入的了解和兴趣，为 自己的大学交了一份满意的答卷。
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