Protel 99 SE在過壓欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要：基于電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)軟件Protel 99 SE設(shè)計(jì)了過壓、欠壓保護(hù)電路；利用Protel 99 SE的“DC Sweep Analysis”、“Transi-ent／Fourier Analysis”兩種方式對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了仿真測(cè)試，并依照仿真結(jié)果完善了設(shè)計(jì)；當(dāng)電氣設(shè)備的電源電壓波動(dòng)超出正常范圍時(shí)該電路能自動(dòng)切斷電源，待電源電壓恢復(fù)正常并經(jīng)過一定的延時(shí)之后又能自動(dòng)接通電源，使電氣設(shè)備得到保護(hù)。
關(guān)鍵詞：仿真分析；瞬態(tài)特性分析；直流掃描分析；Protel 99 SE

    電氣設(shè)備的工作電壓都有一個(gè)安全范圍，電源電壓波動(dòng)超出這個(gè)范圍會(huì)造成電氣設(shè)備工作不穩(wěn)定甚至損壞。為了使電氣設(shè)備的工作免受電源電壓波動(dòng)的影響，利用EDA軟件Protel 99 SE設(shè)計(jì)了過壓、欠壓保護(hù)電路，當(dāng)電源電壓在185～245 V范圍時(shí)，它能夠向負(fù)載正常供電，當(dāng)電源電壓超出這個(gè)范圍時(shí)它能切斷電源，待電源電壓恢復(fù)正常并經(jīng)一定時(shí)間延時(shí)后又能夠自動(dòng)接通，使電氣設(shè)備得到保護(hù)。

1 電路設(shè)計(jì)
    過壓欠壓保護(hù)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(zhuǎn)換為直流電；由R1，R7，R2，R8組成的串聯(lián)電路對(duì)電源電壓進(jìn)行取樣；控制及開關(guān)電路由555定時(shí)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(dāng)市電在185～245 V之間時(shí)，經(jīng)過變壓器TF1降壓后的交流電壓在10．1～13．4 V之間，與之對(duì)應(yīng)的直流電壓Ui為13．5～18 V。由R2，R8，R9，D6構(gòu)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(gòu)成的高電壓取樣電路也接到IC2的2腳，圖1中A點(diǎn)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(fù)位狀態(tài)，3腳輸出低電平，三極管Q2、雙向可控硅T導(dǎo)通，負(fù)載獲得正常的市電。當(dāng)市電低于185 V時(shí)，由R2、R8等構(gòu)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(fù)載與交流電源斷開，實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)。當(dāng)市電高于245 V時(shí)，由R1，R7等構(gòu)成的高電壓取樣電路使得電路A點(diǎn)電
壓大于0．6 V，三極管Q1及二極管D5導(dǎo)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(fù)載與交流電源斷開，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。當(dāng)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(shí)，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(huì)復(fù)位，電源仍處于斷開狀態(tài)，也就是說負(fù)載一旦斷電，只能在6 min后才能向負(fù)載恢復(fù)正常供電，實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的延時(shí)通電保護(hù)。[!--empirenews.page--]
1．2 過壓、欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)
1．2．1 185 V市電欠壓取樣電路設(shè)計(jì)
    市電為185 V的低電壓時(shí)，圖1所示電路中Ui=13．5 V，IC2的2腳電壓應(yīng)為2．73 V；分別取R2，R9，R5為20 kΩ，2．7 kΩ，150 kΩ，計(jì)算可得R8應(yīng)為3．15 kΩ。
1．2．2 245 V市電過壓取樣電路設(shè)計(jì)
    市電為245 V的高電壓時(shí)，圖1所示電路中Ui=18．0 V，A點(diǎn)電壓應(yīng)為0．7 V。取R1=15 kΩ，計(jì)算可得R7為0．6 kΩ。
1．2．3 延時(shí)電路設(shè)計(jì)
    對(duì)延時(shí)電路的要求是，IC2時(shí)基電路由輸出高電平轉(zhuǎn)換到輸出低電平，即負(fù)載由斷電到正常得電至少要間隔6 min以上，因此電路參數(shù)必須滿足，現(xiàn)取T=6 min，C7=220 μF，計(jì)算可得R4=1．5 MΩ。
    按以上計(jì)算設(shè)計(jì)可得圖1所示電路。

2 電路仿真
    采用EDA軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，電路越是復(fù)雜就越易出現(xiàn)“Singular Maxtrix”，“Gmin stepping failed”，“Source stepping failed”，“Iteration limit reached”，“Timestep too small”，“Run simulation(s)aborted”等仿真錯(cuò)誤。對(duì)于圖1所示電路，為了避免仿真錯(cuò)誤的發(fā)生，可對(duì)電路進(jìn)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(duì)整流濾波電路的負(fù)載作用可用等效電阻R13代替，由計(jì)算可知R13約為400 Ω；再去掉電路延時(shí)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(hù)電路的交流輸入電壓有效值在仿真過程中不能自動(dòng)地連續(xù)變化，且最大值有可能大于245 V，其對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)可設(shè)定為-370～+370 V，仿真時(shí)也可根據(jù)實(shí)際需要作適當(dāng)調(diào)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(fù)載所在電路電源仍采用正常的220 V市電。
2．1 電路參數(shù)仿真
    電路參數(shù)仿真測(cè)試采用“DC Sweep Analysis”(直流掃描分析)方式。仿真方式、測(cè)試點(diǎn)的設(shè)置步驟是，在原理圖編輯窗口，執(zhí)行“Si-mulate”菜單下“Setup…”命令，進(jìn)入“Analysis Setup”仿真設(shè)置窗口，在“General”標(biāo)簽中選中“DC Sweep”，在“Available Signals”激活信號(hào)欄中選擇要觀測(cè)的信號(hào)“U220”，“Ua2”，“Ui”，“UL”，“US”，在“SimView Setup”欄中選中“Show Active Signal”。仿真參數(shù)設(shè)置與仿真結(jié)果如圖3所示。

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    按設(shè)計(jì)要求，當(dāng)市電在185～245 V(峰值為261．6～346．5 V)之間時(shí)，IC2的3腳應(yīng)處于復(fù)位狀態(tài)，圖3(b)中US為高電平；市電在185～245 V范圍之外時(shí)，US為低電平。由仿真結(jié)果可以看出，267．29 V>261．6 V，334．13 V<346．5 V，故應(yīng)該修改R7，R8值，當(dāng)R7=576 Ω、R8=3．238 kΩ時(shí)，如圖4所示，工作電壓范圍滿足要求。

2．2 電路基本功能仿真
    電路基本功能仿真測(cè)試主要驗(yàn)證市電電壓發(fā)生變化時(shí)，電路能否按照設(shè)計(jì)要求對(duì)負(fù)載實(shí)現(xiàn)通電與斷電控制。仿真測(cè)試采用“Transient ／Fourier Analysis”(瞬態(tài)特性分析)方式。其操作步驟與前面所述相似。分段電壓源VS參數(shù)“Time／Voltage”設(shè)置為：0，-400V；400m s，-220 V；600 ms，220 V；1 s，400 V。仿真參數(shù)設(shè)置與仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5(b)可以看出，負(fù)載在市電峰值約為-346～-261 V及+261～+346 V(有效值185～245 V)范圍內(nèi)得到正常供電(RL兩端電壓UL-Ua2為正弦波)，在市電峰值-346～-261 V及+261～+346 V范圍外斷電(RL兩端電壓UL-Ua2=0)。瞬態(tài)特性分析與直流掃描分析結(jié)果有一定差異，這個(gè)問題可以在安裝調(diào)試過程中得到解決。

    經(jīng)過上述方法對(duì)電路進(jìn)行簡化處理后，仿真過程中若仍有錯(cuò)誤產(chǎn)生，對(duì)此，可不斷調(diào)整仿真步長值或改變仿真參數(shù)初始值，一般情況下都能完成仿真；仿真過程中警告類的錯(cuò)誤一般不會(huì)導(dǎo)致仿真失敗，即使存在也是可以得到正確仿真結(jié)果的。

3 結(jié)語
    Protel 99 SE軟件包具有操作簡單、易學(xué)、功能強(qiáng)大、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，它是我國電子行業(yè)中知名度很高、普及程度極廣的EDA軟件。學(xué)習(xí)使用Protel99 SE軟件，不僅可以提高學(xué)生設(shè)計(jì)分析電子電路的能力、降低電路設(shè)計(jì)成本、減輕設(shè)計(jì)強(qiáng)度、提高設(shè)計(jì)效率，同時(shí)，還能為學(xué)習(xí)功能更強(qiáng)大、先進(jìn)的EDA軟件(如A1tiusim Design)打下良好的基礎(chǔ)，使學(xué)生在電子設(shè)計(jì)方面能有一技之長。