Protel 99SE在過壓欠壓保護電路設計中的應用

電氣設備的工作電壓都有一個安全范圍，電源電壓波動超出這個范圍會造成電氣設備工作不穩(wěn)定甚至損壞。為了使電氣設備的工作免受電源電壓波動的影響，利用EDA軟件Protel 99 SE設計了過壓、欠壓保護電路，當電源電壓在185～245 V范圍時，它能夠向負載正常供電，當電源電壓超出這個范圍時它能切斷電源，待電源電壓恢復正常并經一定時間延時后又能夠自動接通，使電氣設備得到保護。

1電路設計

過壓欠壓保護電路如圖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換為直流電;由R1，R7，R2，R8組成的串聯電路對電源電壓進行取樣;控制及開關電路由555定時器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

當市電在185～245 V之間時，經過變壓器TF1降壓后的交流電壓在10.1～13.4 V之間，與之對應的直流電壓Ui為13.5～18 V.由R2，R8，R9，D6構成的低電壓取樣電路接到IC2的2腳，由R1，R7，R6，D5，Q1反相器構成的高電壓取樣電路也接到IC2的2腳，圖1中A點電壓小于0.6 V，Q1，D5截止，2腳電壓大于Vcc/3，6腳的高電平使IC2處于復位狀態(tài)，3腳輸出低電平，三極管Q2、雙向可控硅T導通，負載獲得正常的市電。當市電低于185 V時，由R2、R8等構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，負載與交流電源斷開，實現欠壓保護。當市電高于245 V時，由R1，R7等構成的高電壓取樣電路使得電路A點電壓大于0.6 V，三極管Q1及二極管D5導通，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，負載與交流電源斷開，實現過壓保護。當市電高于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，電容器C7通過電阻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也不會復位，電源仍處于斷開狀態(tài)，也就是說負載一旦斷電，只能在6 min后才能向負載恢復正常供電，實現了對負載的延時通電保護。

1.2過壓、欠壓保護電路設計

1.2.1 185 V市電欠壓取樣電路設計

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

1.2.2 245 V市電過壓取樣電路設計

市電為245 V的高電壓時，圖1所示電路中Ui=18.0 V，A點電壓應為0.7 V.取R1=15 kΩ，計算可得R7為0.6 kΩ。

1.2.3延時電路設計

對延時電路的要求是，IC2時基電路由輸出高電平轉換到輸出低電平，即負載由斷電到正常得電至少要間隔6 min以上，因此電路參數必須滿足，現取T=6 min，C7=220μF，計算可得R4=1.5 MΩ。

按以上計算設計可得圖1所示電路。

2電路仿真

采用EDA軟件對電路進行仿真，電路越是復雜就越易出現“Singular Maxtrix”，“Gmin stepping faiLED”，“Source stepping failed”，“Iteration limit reached”，“Timestep too small”，“Run simulation(s)aborted”等仿真錯誤。對于圖1所示電路，為了避免仿真錯誤的發(fā)生，可對電路進行分塊簡化，去掉IC1集成穩(wěn)壓器，用8.2 V直流電壓源Vcc代之。IC1對整流濾波電路的負載作用可用等效電阻R13代替，由計算可知R13約為400Ω;再去掉電路延時功能便得到與圖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。由于過壓欠壓保護電路的交流輸入電壓有效值在仿真過程中不能自動地連續(xù)變化，且最大值有可能大于245 V，其對應的峰值電壓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應可設定為-370～+370 V，仿真時也可根據實際需要作適當調整，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，負載所在電路電源仍采用正常的220 V市電。