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市電變為12 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，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被觸發處于置位狀態，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被觸發處于置位狀態，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，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，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=220 μF，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生，可對電路進行分塊簡化，去掉IC1集成穩壓器，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400 Ω；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。
2．1 電路參數仿真
    電路參數仿真測試采用“DC Sweep Analysis”(直流掃描分析)方式。仿真方式、測試點的設置步驟是，在原理圖編輯窗口，執行“Si-mulate”菜單下“Setup…”命令，進入“Analysis Setup”仿真設置窗口，在“General”標簽中選中“DC Sweep”，在“Available Signals”激活信號欄中選擇要觀測的信號“U220”，“Ua2”，“Ui”，“UL”，“US”，在“SimView Setup”欄中選中“Show Active Signal”。仿真參數設置與仿真結果如圖3所示。

    按設計要求，當市電在185～245 V(峰值為261．6～346．5 V)之間時，IC2的3腳應處于復位狀態，圖3(b)中US為高電平；市電在185～245 V范圍之外時，US為低電平。由仿真結果可以看出，267．29 V>261．6 V，334．13 V<346．5 V，故應該修改R7，R8值，當R7=576 Ω、R8=3．238 kΩ時，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試主要驗證市電電壓發生變化時，電路能否按照設計要求對負載實現通電與斷電控制。仿真測試采用“Transient ／Fourier Analysis”(瞬態特性分析)方式。其操作步驟與前面所述相似。分段電壓源VS參數“Time／Voltage”設置為：0，-400V；400m s，-220 V；600 ms，220 V；1 s，400 V。仿真參數設置與仿真結果如圖5所示。由圖5(b)可以看出，負載在市電峰值約為-346～-261 V及+261～+346 V(有效值185～245 V)范圍內得到正常供電(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)。瞬態特性分析與直流掃描分析結果有一定差異，這個問題可以在安裝調試過程中得到解決。

    經過上述方法對電路進行簡化處理后，仿真過程中若仍有錯誤產生，對此，可不斷調整仿真步長值或改變仿真參數初始值，一般情況下都能完成仿真；仿真過程中警告類的錯誤一般不會導致仿真失敗，即使存在也是可以得到正確仿真結果的。

3 結語
    Protel 99 SE軟件包具有操作簡單、易學、功能強大、自動化程度高等特點，它是我國電子行業中知名度很高、普及程度極廣的EDA軟件。學習使用Protel99 SE軟件，不僅可以提高學生設計分析電子電路的能力、降低電路設計成本、減輕設計強度、提高設計效率，同時，還能為學習功能更強大、先進的EDA軟件(如A1tiusim Design)打下良好的基礎，使學生在電子設計方面能有一技之長。