电冰箱保护器的设计
李典文
（AP0305241）
一、概述
电冰箱对电源的波动范围有一定的要求，而供电电源，其波动幅度有时会超出电冰箱的允许波动范围。
当电冰箱压缩机在运转时，如遇电网意外断电又迅速恢复供电，会使压缩机承受压力过高而受损。
为了保证电冰箱能安全工作于规定的电源范围内，并且防止压缩机受损，在其的供电电源端接入保护电路是非常必要的。
本电路主要应用LM339、NE555、继电器等元器件进行设计的。
二、电路设计
1.电路原理
本设计的电路图如下页所示，其中LM339的两个比较器和RP2、RP3等组成过电压、欠电压检测电路；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。
组成框图如下。
V上限
Ui
V下限
电路的组成框图
其工作原理如下：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0，555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。
2
电冰箱保护器原理图
2.参数的选择与计算
设变压器的变压系数是16：1，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 =220 V u2 =220÷16 =13.75 V u3 =1.2×13.75 =16.5 V Va =8.25 V
u1 =280 V u2 =280÷16 =17.50 V u3 =1.2×17.50 =21.0 V Va =10.5 V
u1 =180 V u2 =180÷16 =11.25 V u3 =1.2×11.25 =13.5 V Va =6.75 V 所以，比较器的上限电压为10.5V,下限电压为6.75V。
调节电位器RP2和RP3，使LM339的5脚电压为10.5V，8脚电压为6.75V，从而设置好比较器的上限和下限电压值，使电路在280V≤u1≤180V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，此段延时时间Tp由NE555的外围电路C1和 R3决定：
Tp≈1.1×R3×C1
因为电路要求延时5分钟（300秒），设C1=220μF,则R3的阻值计算如下：
R3 = 300 ÷ ( 1.1×220×10-6 ) ≈1.2×106Ω
3.电路的PCB 图
因我们是用直流电进行调试电路，所以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，红色的LED发光表示负载不工作，其工作原理和上图一样。
该原理图的PCB图如下所示：
PCB图
三、安装调试
这次设计我是用感光版进行制作。
在制作前，我首先根据设计方案用面包版进行插线，目的是为了检验设计的线路是否正确，避免用感光版做成实物后要不断修改电路的连线。
面包版插线完成后，我首先认真地检查了电路的连线，确认连线以及各元器件的正负没有接错后（应当特别注意集成块的地脚和电源脚），接着就可以调试了。
我是分功能块进行调试的。
调试的步骤如下：我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相连的线断开。
然后接上12V的直流电压，通过调节电位器RP2 、RP3和利用电压表，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，首先要检查线路是否连接正确，确定连线正确后再进行调试，如果仍有问题，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只电阻，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级和负极。
当比较电路调试完毕后，就可以进行整机的调试了。
调试前还是要检查一遍定时电路的连线，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(绿色)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（红色）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。
调试完成后就可以印制电路版了，因为这次是用感光版来制作，所以在制作前要借助Protel来进行电脑布线，布线时最好把电源线和地线加粗，因为这样可以减少电源对电路的干扰，布线完成后，就可以开始制作感光版了，步骤如下：
①把用Protel进行布线的PCB图用硫酸纸打印出来。
②把打印出来的硫酸纸放在感光版的感光面上，然后用日光灯照射该面来进行曝光，曝光的时间
要根据电路版的大小和光线的强弱来决定，大约是12～20分钟。
③曝光完成后，将感光版放进显像液中，约5秒即可看见被溶解的光敏剂呈绿黑色雾状漂浮起。
此时轻摇容器直到全部的线路圆滑饱满，清晰可见，且非线路部分完全显现金黄色时，表示显像已经完成。
再等5～10秒即可取出冲水，然后用风微吹干，全过程大约1.5～2分钟。
④对电路版进行钻孔。
⑤把电路版放入腐蚀液中进行腐蚀。
⑥最后把元器件焊接到电路版上。
四、小结
通过这次课程设计，我在许多方面都得益菲浅，学会了怎样设计、制作、安装、调试一个电子产品。
在这次设计中，我采用逐个击破，步步为营的方法，从电路方案的选定、成品的制作、以至各部分功能的调试，我都是分步完成的，先是把各部分功能一一实现，然后再实现整体功能。
这样做可以化繁为简，减少出错误的机会，即使出错了也比较容易发现，从而可以进行处理。
课程设计是一个实践的平台，在设计过程中，我通过不断学习、制作，让我掌握了很多东西。
既熟悉了Protel99软件的使用，也进一步提高了自己设计电路的能力。
更重要的是，通过这次锻炼，增强了我的动手处理能力，扩大了想问题的角度，学会了如何分析电路问题、如何去查找并改正电路中的错误，如何把大的问题最小化，并一一解决。
非常感谢廖老师及实验室为我们提供了精心指导和良好的实验设备。
五、参考文献
陈有卿 . 实用555时基电路300例 [M]. 北京：中国电力出版社，2005。
