自动限电及电压保护电路设计

【例4-2-2】由555时基电路组成的自动限电电路

将自动限电控制器安装在用户进线端，可以在用电量超限时自动切断用户的电源，待用电量低于计划指标时，又能自动恢复对用户的供电。电路如图4-2-2所示。

1.电路组成

该电路由直流电源电路、采样电路、单稳态触发电路和出口电路等组成。

直流电源电路由降压电容C₁、泄放电阻R₀、整流二极管VD₁、稳压管VS₁和滤波电容C₂等组成。

图4-2-2 由555时基电路组成的自动限电控制电路

采样电路由电流互感器TA、整流二极管VD₂、滤波电容C₃和可变电阻RP₁等组成。由晶体管VT、555时基电路N等组成单稳态延时电路。出口电路由继电器KA组成。

2.555时基电路

图4-2-3所示为555集成定时器的内部电路框图及引脚功能，其中N₁、N₂构成比较器，D₁、D₂构成基本RS触发器，晶体管VT构成开关，非门D₃构成输出缓冲器，由3个5kΩ电阻构成分压器，555集成定时器也由此命名。CO、TH、、分别为电压控制端、高电平触发端、低电平触发端和复位端；u_O、D分别为输出端和放电端。U_CC和GND分别为电源端和接地端。

图4-2-3 555时基电路器内部电路框图及引脚功能

555集成定时器的基本功能见表4-2-1。

表4-2-1 555集成定时器的基本功能

3.电路工作过程

220V交流电压经C₁降压、VD₁整流、VS₁稳压和C₂滤波后，产生约12V直流电压，供给VT和N等电路。

当用户的用电量未超限时，TA二次绕组的感应电压较低，VT截止，N的②脚为高电平，③脚输出低电平，继电器KA未动作，其#KA（1-2）闭合，向用户正常供电。

当用户的用电量增加并超过原设定值时，TA二次绕组上的感应电压将增高，使VT导通，N的②脚变为低电平，单稳态触发器电路由稳态变为瞬时，N的③脚由低电平变为高电平，使继电器KA得电吸合，其#KA（1-2）断开，切断用户的电源。同时，发光二极管VL也点亮，指示用户的用电量超标。

在N内单稳态触发器翻转的同时，⑦脚内部的放电管导通，使N的⑥脚和⑦脚为低电平，+12V电压经RP₂对电容C₄充电，使N的⑥脚电压逐渐升高。当该脚电压升至2/3U_CC（约8V）时，N内部的单稳态触发器翻转，由瞬时变为稳态，N的③脚由高电平变为低电平，使继电器KA失电释放，恢复对用户的供电。若此时用户的用电量仍超限，则自动限电控制器将重复上述过程。

调节RP₁的阻值，可以设定用户的用电限制量；调节RP₂的阻值，可以改变单稳态电路的延迟时间。

【例4-2-3】用电器过电压、欠电压保护电路

电气设备工作时，电源电压允许在额定电压的±10%范围内波动。电压过高或过低都会损坏家用电器，电压过低将使设备输出能力降低，电压过高电气设备将会烧毁。因此电气设备一般都设置有一个过、欠电压保护电路，以便在电源发生过、欠电压故障时，迅速切断电源，保持电器。电路如图4-2-4所示。

1.电路组成

其核心部分采用一块LM339电压比较器N₁（N_1-1～N_1-4）。N_1-1是过电压比较器，N_1-2是欠电压比较器。稳压管VS给N_1-1的反相端、N_1-2的同相端提供5.1V的基准电压。(www.xing528.com)

或门D（CD4071）组成综合电路；晶体管VT截止、继电器KA及接触器KM组成出口控制电路。

2.可单可双电源供电开路输出的四电压比较器LM339

四电压比较器LM339的引脚排列如图4-2-5所示。各引脚功能：

1IN-～4IN-分别为4个单元的反相输入端

1IN+～4IN+分别为4个单元的同相输入端

OUT₁～OUT₄分别为4个单元的输出端

U+：正电源端

图4-2-4 家用电器过电压、欠电压保护电路

GND/U-：接地端或负电源端（单电源工作时接地，双电源工作时接U-）。

电源电压范围：单电源工作时为2～36V，双电源工作时为±1～±18V。输入电压极限为36V。

集电极开路输出，使用时输出端与电源端之间应接上拉电阻。由于开路输出，因此输出能接成几个输出端共用一个上拉电阻，外接一个负载电阻电路。输出低电平时，吸收电流4mA。

图4-2-6为由LM339组成的双限电压比较器电路，U_R为参考电压，也叫门限电压，U_i为输入电压，即待比较电压。

图4-2-5 LM339的引脚排列

图4-2-6 由LM339组成的双限电压比较器电路

a）电路 b）电压传输特性

当U_i位于两个参考电平之间，即U_R1＜U_i＜U_R2时，比较器输出U_o为高电平；当U_i＜U_R1或U_i＞U_R2时，比较器输出U_o均为低电平，从而实现双限。

3.电路工作过程

正常时，U_IN＜U_R1或U_IN＞U_R2，比较器N_1-1、N_1-2均输出低电平，或门D（CD4071）也输出低电平，晶体管VT截止，继电器KA及接触器KM均不得电，电源通过KM的动断主触点KM（1-2）、KM（3-4）送入用电器。

电压升高时，变压器二次侧与C₁两端电压随之升高，电压升高到使U_IN＞U_R1时，N_1-1的输出端变为高电平，而N_1-2输出端仍维持低电平，经过或门D，使VT饱和导通，KA得电吸合，其动合触点KA（1-2）闭合，继而KM得电吸合并自锁，其动断主触点KM（1-2）、KM（3-4）断开，切断用电器的电源。当电压降低时，使U_IN＜U_R2，N_1-2输出端跳变为高电平，KA、KM得电吸合，切断电源。只要电源电压超出设定的高、低范围，KA就会得电吸合，通过KM切断电源。

电路中，R₄、R₅为比较器的上限电阻。为了提高可靠性，VT集电极单独使用一路电源。VL用于指示故障状态，VL亮时，即使按复位按钮SB，也不能使KM复位。