1、1家用电器漏电自动报警系统的设计学生姓名：岳丽霞 学号：20075043033学 院：物理电子工程学院 专业：电子科学与技术指导教师：涂友超 职称：副教授摘 要：随着家用电器的大众化使用，电器漏电自动报警系统的设计也越来越重要。本文首先介绍了漏电自动报警系统的原理及其设计方案，接着用 multisim 软件对原理图进行了仿真，然后用 protel 软件进行 PCB 板的制作，最后 对 PCB 板进行焊接和调试，测试结果表明，所设计的漏电报 警系统是可行的。关键词：电器漏电；报警系统；仿真；调试Design of automatic alarm system of household elect
2、ric leakageAbstract：With the popular use of household electric apparatus, the design of the automatic alarm system of electric leakage is playing a more and more important role. First, the design scheme of the automatic alarm system of electric leakage and its principle are introduced in this paper.
3、 Then the principle circuit is simulated by using multisim software, and next the hardware circuit is made by using protel software. The welding of components and the debugging of the PCB production are introduced at last. The results show that the design of the automatic alarm system of electric le
4、akage is available.Key words：electric leakage；alarm system；simulation；debug1 绪论随着广大人民群众的生活水平的逐步提高，对家用电器的需求也在持续增长，家用电器早已是人们日常生活不可缺少的东西，甚至众多的家电也成为个人财产的一个组成部分。近几年来，由于产品技术含量的逐步增加，产品更新换代的速度也随之加快，人们在购买商品时，从以往的简单地“比价比外观” ，而过渡到比性能、比安全。由于家用电器产品本身存在的质量缺陷以及使用操作不当等原因造成的伤害事故并不少见。这些事故中，电击占有很大比例，究其原因，虽有很多方面，但归根结底还
5、是产品设计制造中没有真正做到防触电保护。因此，我们必须对家用电器的防触电保护给予高度的重视，采取强有力的措施。2漏电是因电器外壳和市电火线间由于某种原因连通后和地之间有一定的电位差产生的。漏电产生的原因可以分为四种 1：（一）静电性漏电家用电器中不同材料的转动件之间的相互摩擦、气体流动以及某些射线的辐射，都可能产生静电。在空气干燥的情况下，空气对静电荷的中和作用和带电体本身的泄露放电能力较差，会使带电体静电荷越积越多。当静电荷电压达到一定值时，就会发生放电现象，产生火花和嘶嘶声，这时若人体接触到带电体，就会有刺痛放电感，将电器接地后，静电就会消失。（二）电容性漏电家用电器的带电体与金属外壳之间
6、存在着分布电容。由于电容在交流电压变化期间会进行充、放电，而起到导电的作用，因而产生电容性漏电。但因分布电容的容量一般都比较小，对工频交流电而言其容抗很大，漏电较弱，对人体没有危害。不过，若在严重潮湿条件下，空气的介电常数增大，容抗减小，则电容性漏电将会增大，人接触家用电器就会发生触电事故。（三）电阻性漏电家用电器的安全性能指标规定：电源的带电部分与外露非带电金属之间的绝缘电阻，应达到规定的安全标准，这时带电体传到外壳的泄露电流远小于感知电流，对人体的安全不会产生威胁。但当电器受潮严重，绝缘老化时，绝缘电阻降低，其泄露电流便会随之增大，那就有可能发生触电事故。（四）短路性漏电家用电器 2的带电
7、部分因绝缘老化或破裂，使带电体直接与电器的金属外壳相通，如果电器通电运行时，就会使金属外壳带电，其电压值接近于工作电压值。这时漏电属于短路性漏电，危险性最大，会威胁或危机人的生命安全，必须立即排除。短路性漏电包括相线与大地、PE 线、PEN 线、配电和用电设备的金属外壳、铁床、敷线钢管、桥架线槽、建筑物金属构件、上下水和采暖、通风等管道与金属屋面、水面等之问的短路。当发生接地短路时在接地故障持续的时间内，与它有关联的电气设备和管道的外露可导电部分对地和装置外的可导电部分间存在故障电压，此电压可使人身遭受电击，也可因对地的电弧或火花引起火灾或爆炸，给家庭造成严重的生命财产损失。2 整体设计32.
8、1 整体设计要求本设计是要求家用电器产生漏电时，电路能够自动报警 3。拟采用二极管，单、双向可控硅，音乐集成片，三极管以及继电器来具体实现家用电器漏电的自动报警。2.2 整体设计方案家用电器漏电自动报警系统的整体设计 3的原理框图如下图 1 所示：2.3 单元电路及相关元器件介绍2.3.1 信号转换电路当家用电器漏电时，将会产生漏电电流，由于漏电电流不易检测，可以通过电阻先将电流信号转换成电压信号。2.3.2 整流电路把漏电信号通过信号转换器转换成电压信号以后，需要通过整流器把交流信号转换成直流信号。整流器有很多种可以实现，最简单的可以选用二极管整流滤波电路。如图 2 所示，二极管整流滤波电路
9、的原理：交流电压经整流后可获得直流电压，但是这个电压具有较大的脉动成分，在电子电路中使用整流直流电压时，通常都要采取一些措施降低整流输出电压中的脉动成分，使这个电压能接近恒定直流，为此在电路中接入电容或电感元件，利用这些元件所具有的储能作用将整流后输出电压中的脉动成分降低，使整流后的电压变得平滑。为了减小整流后电压的脉动，常采用滤波电路把交流分量滤去，使负载两端得到脉动较小的直流电 4。 滤波电路一般由电容、电感、电阻等元件组成。滤波电路对直流和交流反映出不同的阻抗，电感 L 对直流阻抗为零（线圈电阻忽略不计） ，对于交流却呈现较大的阻抗图 1 系统结构框图图 2 二极管整流滤波电路继电器漏电
10、信号整流器 检测电路信号转换放大器扬声器 音乐集成片4图 4 单向可控硅结构图（X LL） 。若把电感 L 与负载 RL 串联，则整流后的直流分量几乎无衰减地传到负载，交流分量却大部分降落在电感上。负载上的交流分量很小，因此负载上的电压接近于直流，从而达到了滤波的目的。电容器 C 对于直流相当于开路，对于交流却呈现较小的阻抗（X C 1/C） 。若将电容 C 与负载电阻并联，则整流后的直流分量全部流过负载，而交流分量则被电容器旁路，因此在负载上只有直流电压，其波形平滑，实现了滤波的功能。2.3.3 检测控制电路检测控制电路是通过单、双向可控硅来实现的。（1）单向可控硅 5的外形图如图 3 所示
11、。当电压信号作为触发信号时，单向可控硅晶闸管SCR 即可被导通，继而可以检测漏电信号，单向可控硅晶闸管的原理如下：可控硅是 P1N1P2N2 四层三端结构元件，共有三个 PN 结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP 管和一个 NPN 管所组成，分别命名为 BG1和 BG2。如图 4 所示，当阳极 A 加上正向电压时，BG1 和 BG2 管均处于放大状态。此时，如果从控制极 K 输入一个正向触发信号，BG 2 便有基流 ib2流过，经 BG2 放大，其集电极电流 ic2= 2ib2。因为 BG2 的集电极直接与 BG1 的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流 ic2 再经 BG1 放大，于
12、是 BG1的集电极电流 ic1= 1ib1= 1 2ib2。这个电流又流回到 BG2 的基极，形成正反馈，使 ib2 不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅饱和导通。由于晶体管 BG1 和 BG2 所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极 K 的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。图 3 单向可控硅外形图5图 6 双向晶闸管的伏安特性曲线图 5 双向晶闸管结构图由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化。（2）双向可控硅如图 5 所示，双向可控硅
13、是由 N-P-N-P-N 五层半导体材料制成的，对外也引出三个电极，其结构如图所示。双向晶闸管相当于两个单向晶闸管的反向并联，但只有一个控制极 6。双向晶闸管与单向晶闸管一样，也具有触发控制特性。不过，它的触发控制特性与单向晶闸管有很大的不同，这就是无论在阳极和阴极间接入何种极性的电压，只要在它的控制极上加上一个触发脉冲，也不管这个脉冲是什么极性的,都可以便双向晶闸管导通。由于双向晶闸管在阳、阴极间接任何极性的工作电压都可以实现触发控制，因此双向晶闸管的主电极也就没有阳极、阴极之分，通常把这两个主电极称为 T1 电极和 T2 电极，将接在 P 型半导体材料上的主电极称为 T1电极，将接在 N
14、型半导体材料上的电极称为 T2 电极。由于双向晶闸管的两个主电极没有正负之分，所以它的参数中也就没有正向峰值电压与反同峰值电压之分，而只用一个最大峰值电压，双向晶闸管的其他参数则和单向晶闸管相同。6图 8 放大三极管的结构原理图双向晶闸管的伏安特性曲线具有对称性，如图 6 所示。由于双向晶闸管正、反特性具有对称性，所以它可在任何一个方向导通，是一种理想的交流开关器件。2.3.4 音乐集成片 CW9561CW9561 模拟声集成电路是一种能发出警报声、汽笛声、警车声及机枪声的集成电路 7，其内部结构如图 7 所示：2.3.5 放大三极管三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极 C，基极 B
15、，发射极 E。分成NPN 和 PNP 两种。我们仅以 NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理 8。 下面的分析仅对于 NPN 型硅三极管。如图 8 所示，我们把从基极 B 流至发射极 E 的电流叫做基极电流 Ib；把从集电极 C 流至发射极 E 的电流叫做集电极电流 Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极 E 上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的 倍
16、，即电流变化被放大了倍，所以我们把 叫做三极管的放大倍数（ 一般远大于 1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流 Ib 的变化，Ib 的变化被放大后，导致了 Ic 很大的变化。如果集电极电流 Ic 是流过一个电阻 R 的，那么根据电压计算公式 U=R*I 可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。2.3.6 电动式扬声器电动式扬声器主要由磁体和振动系统两部分组成，如图 9（左）所示。图 9（右）图 7 CW9561 芯片图7为电动式扬声器的外形图。其中磁体由磁铁和软铁心柱组成，而纸盆(振动
17、膜)、定心支片、音圈和防尘罩等组成了振动系统。当扬声器的音圈通入音频电流后，音圈在电流的作用下便产生了交变磁场，永久磁铁同时也产生一个大小与方向不变的恒定磁场。由于音圈所产生的磁场大小和方向随音频电流的变化不断地在改变，这样两个磁场的相互作用使音圈作垂直于音圈中电流方向的运动，由于音圈和振动膜相连，从而音圈带动振动膜振动，由振动膜振动引起空气的振动面发出声响 9。输出给音圈的电流越大，其磁场的作用力就越大，振动膜振动的幅度也就越大，声音则越响。扬声器发出高音的部分主要在振动膜的中央，扬声器发出低音的部分主要在振动膜的边缘。如果扬声器的振动膜边缘较为柔软且纸盆口径较大则扬声器发出的低音效果较好。
18、2.3.7 电磁式继电器 如图 10 所示，电磁继电器是一种用电磁铁控制的电路开关。由电磁铁、弱电电源和电键组成控制电路 10。电磁式继电器是应用得最早、最多的一种型式。其结构及工作原理与接触器大体相同。由电磁系统、触点系统和释放弹簧等组成，电磁式继电器原理如图 10 所示。由于继电器用于控制电路，流过触点的电流比较小( 一般 5A 以下) ，故不需要灭弧装置。常用的电磁式继电器有电压继电器、中间继电器和电流继电器。电磁式继电器的图形、文字符号如图 11 所示。继电器的主要特性是输入-输出特性，又称继电特性，图 9 扬声器的结构图及外形图图 10 电磁式继电器结构图1 铁心 2 旋转棱角 3
19、释放弹簧4 调节螺母 5 衔铁 6 动触点7 静触点 8 非磁性垫片 9 线圈8继电特性曲线如图 12 所示。当继电器输入量 X 由零增至 X2 以前，继电器输出量 Y 为零。当输入量 X 增加到X2 时，继电器吸合，输出量为 Y1；若 X 继续增大，Y 保持不变。当 X 减小到X1 时，继电器释放，输出量由 Y1 变为零，若 X继续减小，Y 值均为零。X2 称为继电器吸合值，欲使继电器吸合，输入量必须等于或大于 X2；X 1 称为继电器释放值，欲使继电器释放，输入量必须等于或小于 X1。3 家用电器漏电自动报警系统电路设计图 12 继电器特性图图 11 电磁式继电器图形、文字符号9如图 13
20、 所示为家用电器漏电自动报警电路 11。该报警器由可控硅开关电路、漏电信号检测电路、集成音响报警电路三部分组成。其中漏电信号检测电路由R1、R2、D2CP、C1 等组成；集成音响报警电路由音乐集成电路 IC(CW9561)、R5、BG、扬声器 Y 等组成。若有电器漏电，则电阻 R1 和 R2 上就有漏电电流流过，在 R2 上产生降压信号。该信号由于是交流信号，所以必须要经过二极管 D 整流、电容器 C1 滤波后可触发可控硅 SCR 的导通。此时开关 AN 处于常闭状态，此时后边电路的电源即可被接通，音乐集成电路 IC 工作，发出音频信号。由于音频信号微弱，所以可以将该信号经晶体管 BG 放大后
21、推动扬声器发出音响报警。同时，继电器 J 吸合，控制其常闭触点 J1、J2 断开，从而切断市电电源 12。在发生音响报警后，应立即拔下电源插头，以保证人身安全。同时，只有按下常闭按钮 AN，报警才能停止。人体的触电安全电流在 10mA 以下，报警器的漏电电流报警限值应远远小于这个值。本电路的报警限可达 1mA。必要时可通过调节电阻 R2 的值来改变报警限。 4 基于 multisim 的家用电器漏电自动报警系统电路仿真4.1multisim 简介Multisim 是加拿大图像交互技术公司推出的以 Windows 为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形
22、输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。可以使用 Multisim 交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真 13。Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复杂内容，这样无需懂得深入的 SPICE 技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过 Multisim和虚拟仪器技术，PCB 设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。4.2multisim 仿真电路图由于 Multisim 软件里面没有音乐集成片，所以仿真时把电路原理图分为两个部分来进行，第一部分是音乐集成片以前的部分
23、，包括电阻 R1、R2，二极管、电容和单向可控硅；第二部分为图 13 原理图除去第一部分之后的剩下部分，主要包括音乐集成片、图 13 家用电器漏电报警原理图10三极管、扬声器、继电器、可控硅等。本设计只需要对第一部分进行仿真即可。如图 14 所示，给电路加一个漏电电流，可以观测到灯泡会发光，则说明单向可控硅已经导通，第一部分电路设计无误。5 PCB 板 的制作与调试 5.1PCB 板制作Protel 是目前国内最流行的 EDA 软件，它将电路原理图设计、PCB 板图设计、电路仿真和 PLD 设计等多个实用工具组合起来构成 EDA 工作平台 14。用 protel 软件对电路图所作的布线图如图
24、15 所示，制作电路板分为如下几个过程：（1）打印电路板。将处理好的电路图打印在转印纸，一般在一张纸上打印多个电路板选择其中选择打印效果最好的制作线路板。（2）裁剪覆铜板。覆铜板，也就是一面覆有铜膜的线路板，将覆铜板裁成电路板的大小。（3）预处理覆铜板。用细砂纸把覆铜板表面的氧化层打磨掉，以保证在转印电路板时，热转印纸上的碳粉能牢固的印在覆铜板上，打磨好的标准是板面光亮，没有明显污渍。（4）转印电路板。将打印好的电路板裁剪成合适大小，把印有电路板的一面贴在覆铜板上，对齐好后把覆铜板放入热转印机，放入时一定要保证转印纸没有错位。一般来说经过8到9次转印，电路图就能很牢固的转印在覆铜板上。图 14 第一部分仿真图
