低成本解決功率過載的交流調壓插座的設計

張雪君　高宏進　魏文斌　張雪　李少鵬

摘 要：交流調壓技術作為一種高性能調壓技術可實現中小型功率用電器在特殊的限制功率的場合的過載使用，符合電力電子技術的高頻化、高效化以及低污染發展趨勢。運用雙向可控硅調壓電路的電壓調節原理，調節元件參數與可控硅控制角之間的定量關系，利用公式確定控制角與電壓之間的關系。對此三者間關系進行分析，得出調節元件參數和電壓間關系，從而設計出一款更為準確有效，簡單方便的可控調壓插座。

關鍵詞：低成本 交流調壓 雙向可控硅

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（b）-0101-02

交流調壓技術可實現中小型功率用電器在特殊的限制功率的場合的過載使用，可解決如學校、辦公室等無法使用大功率用電器等問題。交流調壓技術作為一種高性能交流調壓技術，符合電力電子技術的高頻化、高效化以及低污染發展趨勢，將成為調壓領域中不可或缺的一份子。傳統的調壓方式采用的是自耦變壓器、感應調壓和飽和電抗器等電磁裝置，針對這些裝置調壓范圍小、占用空間大而且造價高等缺點，提出了以可控硅來實現一種多功能調壓插座，通過控制可控硅的觸發角來控制負載兩端的電壓，從而實現調壓目的。電路簡單高效經濟使用方便。它能適應家用電器多種電壓的需要，如電燈的調光，電機的調速，熱得快，小太陽和電爐的調溫等等。該調壓插座以調壓范圍廣、空間小、價格低等特點成為未來市場上一種極具競爭力的新型產品。

1 交流調壓插座工作原理

當電路接通交流市電后，交流市電便通過負載電阻電位器和電阻R3、電阻R2向電容器C1充電，只要電容器C1上的充電電壓高于雙向觸發二極管的轉折電壓，電容器C1便通過限流電阻R1以及雙向觸發二極管VD1向雙向可控硅VS的控制極放電。觸發可控硅VS導通。改變電位器的阻值便可改變向C1充電的速度，也就改變了雙向可控硅的導通角。由于雙向觸發二極管在正、反電壓下均能工作，所以整個電路可以工作于交流電的正、負兩個半周。L、C2、R4、C3、R5構成濾波電路，有效抑制了輻射干擾和傳導干擾，避免可控硅瞬間導通產生的高次諧波對電網造成傷害，也防止對臨近收音機產生電磁波干擾。該電路在雙向可控硅加散熱器的情況下，可控負載功率可達1000 W。

2 VS觸發環節設計

雙向二極管伏安特性曲線如圖2所示，其中OP段為截止區，PV段為負阻區，VP1 段為飽和區。VS導通受控于雙向二極管產生的觸發脈沖電流，而雙向二極管只有在Uc增加到UP后，由于P-V段負阻區，引起強烈的正反饋，又因Uc不能突變，故瞬間使工作點由P點跳變至P1點，此刻VD1中有電流i，當脈沖電流峰值Im大于VS的觸發電流時，VS便導通。

3 濾波電路設計

單純的可控硅調壓電路會產生兩種干擾：一種是傳導干擾，是由正弦波畸變，產生高頻電流和電壓沿著電源線耦合而干擾鄰近的的同電網的收音機，并對電網造成污染。針對此種干擾，本調壓插座電路采用電阻R5電容C3電感L組成的濾波電路，L可選用100～300 uH，本電路選用300 uH，電容選用0.22 uF/400 V。將電阻和電容并聯在電源兩端，使干擾經它入地，而不從電源線耦合出去，如果使防干擾效果更好，還可以用LCπ型濾波電路；另一種干擾是輻射干擾，干擾能量以高頻電磁波形式從導線中輻射出去，通過收音機的天線和地線進入收音機的回路，從而干擾收音機的正常工作。本電路將電阻R4和電容C2并聯在負載兩端，使干擾電磁波不進入負載，就可以達到抑制輻射干擾的目的。

4 各元件詳解

4.1 保護電阻

R1是保護電阻，用來防止調整到零電阻時，過大的電流造成半導體器件的損壞。R1太大又會造成可調光范圍變小，所以應適當選擇。

4.2 功率調整電阻

R3決定白熾燈可調節到的最小功率，若不接入R3，則在調整到最大值時，白熾燈將完全熄滅，這在家庭應用中會造成一定不便。接入R3后，當調整到最大值時，由于R3的并聯分流作用，仍有一定電流給C1充電，實現白熾燈的最小功率可以調節，若將R3換為可變電阻器，則可實現更精確的調節，以確保量產的一致性。同時R3還有改善電位器線性的作用，使燈光變化更適合人眼的感光特性。

4.3 可控硅的緩沖保護

可控硅在電路中工作時，它的開關狀態并不是瞬間完成的。可控硅剛導通時的等效阻抗還很大，這時如果電流上升很快，就會造成很大的開通損耗；同樣，在可控硅接近完全關斷時也還有較大電流，這時如果可控硅兩端的電壓迅速上升，也會產生很大的關斷損耗。開關損耗會導致可控硅的發熱量增加，嚴重時會造成期間燒毀。采用適當的緩沖措施來抑制電流和電壓的上升速率，可以有效改善可控硅的開關工作條件。

4.4 電路應用

此電路若應用于調光，會出現可控硅調光電路的滯后現象，普通的可控硅調光電路存在開機功率和關機功率不一致的現象，這種電位器調至最小角度時的功率比開機時同一位置的功率要大的現象，就是普通調光電路的滯后效應。滯后效應產生的原因是每次觸發可控硅時，充電電容被部分放電引起的。在觸發二極管上串入一個小電阻可以大大減輕這種現象，還有一種有效的方法是在電阻R1和電容C1兩端并聯一電容，用此電容去觸發可控硅，避免了滯后效應的出現。另外使用可控硅調光電路時，當負載小于一定功率時，燈泡就會出現閃爍現象，這是由于可控硅的最小維持電流不足所引起的。由于不同型號的可控硅的最小維持電流并不一致，所以生產廠家都會在產品說明上標示出適用的最小負載功率限制，在使用時必須注意這個問題。

5 結語

本款以可控硅為主要元件的交流調壓插座，控制簡單，在交流電穩定在220 V時輸出電壓可以實現0～194 V的均勻可控調節，能夠快速并穩定的輸出電壓。解決了一般調壓電路產生高次諧波污染電網、輻射干擾和傳導干擾、電壓調節不均勻產生突變等問題。

參考文獻

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