一款基于分立元件設計的家用電器電機高低速控制電路

于季剛

（廈門理工學院電子與電氣工程系，福建 廈門 361024）

1 引言

本設計緣于一款家用電器——果汁機的高低速控制電路。該電器具有停止、高速、低速和點動功能。原設計的控制電路是基于PIC單片機的控制系統，電路由變壓器提供控制電路電源，由雙向可控硅作為控制部件。

圖1為原設計的控制電路PCB實物樣本圖片。版面尺寸為43mm×108mm。

圖1 原設計的控制電路PCB實物樣本圖片

從圖1看出，電源經變壓器變壓后輸入到AC12端，經整流濾波穩壓后為控制系統供電；控制系統由PIC單片機U1及其外圍電路組成；SW 1、SW 2、SW 3和 SW 4為停止、高速、低速和點動功能鍵；LED1～LED6為相應的狀態指示燈。負載驅動為雙向可控硅。

考慮系統由可控硅做控制部件的，系統仍為熱底板。為節約成本，電源擬采用阻容降壓電路。系統擬用數字集成電路與分立元件來完成設計。

2 控制電路框圖

控制電路框圖如圖2所示。

圖2 電路框圖

3 電路原理

控制系統核心擬采用數字集成電路 CD4011來組成。

CD4011為一款四個二輸入的與非門，由2個與非門可以構成基本的雙穩態觸發器。

圖3和表1出了由與非門構成的基本觸發器邏輯圖和非門構成的基本觸發器的功能真值表[1]。

圖3 由與非門構成的基本觸發器邏輯圖

表1 與非門構成的基本觸發器的功能真值表

4 控制主電路原理與設計

利用一款數字集成電路四個二輸入的與非門CD4011，可以完成停止、高速、低速和點動功能的設計。

如圖 4所示電路，這是一款由數字集成電路CD4011（U3）構成的控制電路，控制功能鍵 S3、S2、S4和S1可分別完成停止、高速、低速和點動功能。

電路原理分析如下：

（1）停止功能鍵：按下停止功能鍵 S3，通過D7和D9分別使U3B的4腳與U3D的11腳輸出為低電平。

（2）高速功能鍵：按下高速功能鍵 S2，可使U3B的4腳輸出為高電平；同時通過C3與D8使U3D的 11腳輸出為低電平（即可解除電機低速運行狀態）。U3B的 4腳輸出為高電平時通過高速指示燈D3與光耦U1的3腳去驅動雙向可控硅。其中R7接交流電源的火線。

（3）低速功能鍵：按下低速功能鍵 S4，可使U3D的 11腳輸出為高電平；同時通過 C4與 D10使U3B的4腳輸出為低電平（即可解除電機高速運行狀態）。U3D的11腳輸出為高電平時通過低速指示燈D4與光耦U2的3腳去驅動雙向可控硅。其中R14接交流電源的火線。

（4）點動功能鍵：按下點動功能鍵 S1，通過點動指示燈 D2與光耦 U1的 3腳去驅動雙向可控硅。松開點動功能鍵S1時點動功能解除。

圖4 由CD4011構成的控制電路

5 電源及總電路原理與設計

圖5為控制電路總電氣原理圖。

本電路J1輸入輸出口，J1的1、2腳接交流電源，J1的2、3腳接驅動電機。

圖5 總電氣原理圖

5.1 控制電路電流設計

選用光耦型號為 MOC3023，設計驅動電流10mA，電源指示 5mA， 所以控制電路總電流為20～25mA，整體的等效電路為圖6所示。

圖6 等效電路

根據

故選C1為0.33μF/400v。如果電源為110V 60Hz則相應改變C1值。

一般當選電容為1μF時，I≈70m A，這就是工程上電容降壓供電電路常用的設計口訣“1μF等于70m A”，也就是說選用 1μF電容能為電路提供70mA的供電電流。

5.2 控制電路電壓及驅動設計

控制電路電壓取 12V，選用穩壓管主要參數為12V 1W的1N4742；雙向可控硅選用20A 400V的BT136；光耦選用光隔離三端雙向可控硅驅動器芯片 MOC3023；其中 C7、C8、RW 1、R9和 R12組成移相電路[3]，調整RW 1可調節輸出可控硅的觸發角來調節電機轉速。

6 控制電路PCB圖

圖7為控制電路的PCB版圖，版面尺寸為：

圖8為控制電路的PCB實物樣本圖片。

本控制電路實際應用于果汁機的高低速控制，成本低、工作可靠、控制效果良好。

圖7 PCB版圖

圖8 PCB實物樣本圖片

7 結論

在電子技術高速發展的今天，傳統的設計方法在實際應用中仍然具有它價值。

[1] 皇甫正賢編著.數字集成電路基礎[M]. ISBN 7-305-02675-1/TP·115.南京大學出版社,1994:133.

[2] 孫駱生主編.電工學基礎教程(上:電工技術)[M].ISBN 7-04-003174-4.高等教育出版社, 1998.8:106.

[3] 張友漢主編.電子線路設計應用手冊[M].ISBN 7-5335-1405-5/TN-208.福建科學技術出版社:308.