基于雙向可控硅的電水壺電路設(shè)計

丁子峰 袁娜

摘 要：無繩電水壺由于外形美觀而且使用較為方便走入了人們的日常生活，但無繩電水壺的電路中有多處觸點及附屬機械結(jié)構(gòu)，在使用過程中的故障率很高。分析了各種常見故障的產(chǎn)生原因，并設(shè)計了一種利用光電耦合器控制雙向可控硅進而控制電路通斷的電水壺電路，從而降低電水壺的故障率。

關(guān)鍵詞：無繩電水壺;雙向可控硅;光電耦合器;電容降壓;RC緩沖

中圖分類號：TM925.5??????? 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.09.005

0 引言

無繩電水壺因其使用方便，外形美觀而走入了人們的日常生活。無繩電水壺主要由發(fā)熱元件、蒸氣開關(guān)、熱斷路器、底座及耦合器組成[1]。

下面將分別對蒸氣開關(guān)、熱斷路器和耦合器的各種常見故障及故障原因進行分析，并據(jù)此設(shè)計較為詳細的電路方案、繪制電路原理圖并計算電路參數(shù)。

1 常見故障分析

1.1 蒸氣開關(guān)

蒸氣開關(guān)為雙金屬片式限溫器，它是在電水壺正常工作時起作用的，即當水被煮開時切斷電源[2]，它也是開啟電水壺工作的主要開關(guān)，兩種工作過程均屬于帶載通斷電，容易使得觸頭表面氧化斷路，致使水壺無法繼續(xù)工作;而且每煮一次開水就要動作一次，它是屬于頻繁動作的開關(guān)，觸頭容易熔焊而失靈[2]，導致發(fā)熱盤在水燒開以后無法切斷電源而一直處于工作狀態(tài)。

1.2 熱斷路器

當水壺中的水較少或因為限溫器失靈造成水壺進入干燒狀態(tài)時，就要靠自復位熱斷路器動作來起到保護作用，它也屬于經(jīng)常動作的開關(guān)，同樣也會因熔焊失靈而不能斷電的時候[2];熱斷路器一般由左右兩側(cè)兩個雙金屬片作為感溫元件，當雙金屬片動作時通過小瓷棒壓下動觸頭斷開電路，且為了節(jié)省安裝空間和安裝難度，熱斷路器一般與耦合器共同制成一個整體，為保證可靠的絕緣，所有接線端子和動作觸頭均直接安裝在塑料支架上，當觸頭間由于多次帶載動作使得表面氧化時造成局部電阻偏大，進而導致局部產(chǎn)熱量增大，使得塑料支架受熱變形，引起接線端子或動作觸頭松動甚至直接脫落，發(fā)生斷路故障。

1.3 耦合器

耦合器是無繩電水壺特有的器件，所謂無繩就是指壺體上沒有直接引出的電源線，而水壺在燒水時的供電就要來自于底座，耦合器就是由底座向壺體供電的結(jié)構(gòu)，其中母座位于壺體底部，與熱斷路器一體，其導電銅環(huán)與熱斷路器的觸點間為冷壓連接，常因熱斷路器的局部發(fā)熱引起冷接部位塑料變形，使得冷接位置松動，加速損壞過程;耦合器公座在底座上，由于錯誤的操作順序（先閉合溫控開關(guān)，再將壺體置于底座上）會使得耦合器帶載接通，因此導致公座中觸點表面氧化，使得局部電阻增大，導致局部產(chǎn)熱量增大（或直接斷路），致使觸點固定位置塑料變形，連接松動，加劇損壞過程[3，4]。

1.4 總結(jié)

總結(jié)以上幾點進行分析，所有故障的根本原因是大電流有載分接，所以要降低故障率，就要降低觸點的分接電流或者使用非機械觸點的開關(guān)元件。

2 電路設(shè)計

2.1 控制回路設(shè)計分析

根據(jù)上述分析結(jié)果，為降低無繩電水壺的故障率，降低蒸氣開關(guān)的分接電流，將其作為提供低壓開關(guān)信號的傳感器使用;拆除原有熱斷路器，采用兩個溫度分別為105 ℃和110 ℃的常閉溫控開關(guān)（如圖1所示）布置在原熱斷路器雙金屬片位置處，傳遞的低壓開關(guān)信號用于確定壺底的溫度范圍;在壺底增設(shè)位置檢測開關(guān)提供低壓開關(guān)信號，保證在耦合器接觸良好后，位置檢測開關(guān)再閉合，只有當確定位置開關(guān)閉合后，才能發(fā)出控制信號讓發(fā)熱盤接入電路工作，確保耦合器不會帶載接通電源。

控制回路使用STC89C52系列單片機做控制回路的主控芯片，通過電平信號控制光耦的輸入端來控制雙向可控硅的通斷，其工作流程如圖2所示。

如圖3所示為控制回路原理圖，當P2.4引腳輸出為低電平時，LED1導通，MOC3601的1、2腳間的發(fā)光二極管發(fā)出足夠強度的紅外光[5]，雙向可控硅具有接通條件，當P2.4引腳輸出為高電平時，LED1截止，MOC3601內(nèi)部發(fā)光二極管不發(fā)光，雙向可控硅無法接通。K1為常開開關(guān)，K2蒸氣開關(guān)，K3、K4均為常閉型溫控開關(guān)，K1用于檢測電水壺壺體是否與底盤接觸良好，可使用普通的常開微動開關(guān);K2使用原水壺的蒸氣開關(guān)，不再用于直接分斷大功率負載，僅用于提供開關(guān)信號，提高了使用安全性，降低了故障率，并且可保證蒸氣開關(guān)處原有結(jié)構(gòu)不變;K3和K4為105 ℃和110 ℃的常閉溫控開關(guān)，用于檢測發(fā)熱盤附近壺底溫度，階梯溫度設(shè)置，雙重保障提高使用安全性;LED2、LED3、LED4、LED5用于指示K1、K2、K3、K4工作狀態(tài);時基電路由12 MHz晶振和兩個30 pF電容組成。

2.2 主回路設(shè)計分析

為降低電水壺的故障率，使用雙向可控硅（1.4中所述非機械觸點開關(guān)器件）作為控制電水壺通斷電的開關(guān)器件，這樣可以避免在大電流的主回路中使用機械觸點有載分接電水壺發(fā)熱盤。

如圖4所示為主回路原理圖，其中BTA16-600B為雙向可控硅，R1是MOC3601的輸出限流電阻，其阻值由交流電網(wǎng)的電壓峰值及MOC3601的輸出端所允許的重復沖擊電流的峰值決定，在220 V電網(wǎng)中此限流電阻可取330 Ω，R3和C1做RC緩沖電路，用于雙向可控硅的保護，U1是MOC3601，它的輸入端為1、2腳，在5～15 mA的正向電流作用下可使輸入端的一鎵砷發(fā)光二極管發(fā)出足夠強度的紅外光，該紅外光可觸發(fā)輸出部分，4、6腳間是具有過零檢測功能的硅光敏雙向開關(guān)，利用雙向開關(guān)的開關(guān)控制雙向可控硅的導通與截止，進而控制電水壺發(fā)熱盤的通斷，并且將輸入與輸出完全隔離[5]。

設(shè)發(fā)熱盤功率為1500 W，則由

I=PU（1）

由公式（1）可知回路電流約為7 A，BTA16-600B的電流為16 A，足以作為發(fā)熱盤的開關(guān)使用。

RC緩沖電路的參數(shù)可以參照下表選擇。

由上表可選擇緩沖電阻為100 Ω，緩沖電容為0.1 uF。

緩沖電阻功率按下式計算

P=（0.5～0.7）R（2）

式中 P—電阻功率（W）。

緩沖電容耐壓值

UC=2.2U2m（3）

式中 U2m—電壓峰值（V）。

此外，為了提高電水壺的使用安全性和電路安全性，在發(fā)熱盤附近設(shè)置熱熔體，熱熔體直接串聯(lián)在耦合器母座和電路板之間的火線上，其動作溫度高于熱斷路器檢測溫度，當所有保護措施失效使得電水壺進入非正常工作狀態(tài)時，熱熔體（一次性保護器）作為最后一道防線切斷電源，防止發(fā)生安全事故。

2.3 電源設(shè)計分析

在電路設(shè)計過程中，當電路受體積限制和成本限制時，采用電容降壓是一種較為簡單實用的方法。

如圖5所示為電容降壓電路，相關(guān)參數(shù)如下

XC=12πfC（4）

式中 XC—容抗（Ω）;

f—電源頻率（Hz）;

C—電容值（F）。

IC=UXC（5）

式中 IC—電容C4的充電電流（A）。

由式（4）和（5）可知降壓電容C4與負載電流IO的關(guān)系可近似表示為

C=14.5IO（6）

式中 C—uF級;

IO—安培級。

用于降壓的電容C1的充放電電流IC等于降壓后所帶負載的負載電流IO。在電壓頻率恒定的情況下，電容的容量與容抗XC成反比關(guān)系，則C1的容量決定充、放電的電流大小。當其滿足了所帶負載的電流IO時，剩下部分的電流流經(jīng)ZD1穩(wěn)壓管，因此在ZD1穩(wěn)壓管的最大允許電流的選擇上應采用大于（IC-IO）的， 以保證電路可靠工作。C1的耐壓值應大于2～3倍的電源電壓，并且必須采用無極性的電容，本例中采用安規(guī)電容。R1的作用是給降壓電容提供電流回路用以泄放多余的電荷，被稱為泄放電阻，阻值選擇1 MΩ。值得注意的是，電容降壓屬于非隔離降壓，只適用于低壓和負載穩(wěn)定的場合，在使用過程中也必須注意安全。AC220 V經(jīng)過電容降壓和整流之后得到15 V的直流電，經(jīng)過7805三端穩(wěn)壓管得到穩(wěn)定的+5 V的輸出供單片機使用[7]。

3 結(jié)論

根據(jù)故障分析找出了無繩電水壺觸點類結(jié)構(gòu)故障的根本原因是大電流有載分接，并據(jù)此設(shè)計了無機械觸點結(jié)構(gòu)分接負載的雙向可控硅電路，避免使用機械觸點結(jié)構(gòu)分接大電流，從而降低其故障率;將蒸氣開關(guān)、溫控開關(guān)僅作為低壓信號開關(guān)，降低其故障率;利用位置檢測開關(guān)和軟件延時上電的方法防止耦合器帶載接通從而降低其故障率;計算出了電路的詳細參數(shù)，是一種新的電水壺控制方法。

參考文獻：

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[7] 王天鳳.雙向可控硅調(diào)功電路的實現(xiàn)與應用[J].電子世界，2016（23）：88+91.

基金項目：黃山學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目資助，黃山學院2019年度大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目：家用電器中基于雙向可控硅的無接觸器設(shè)計（2019015）

作者簡介：丁子峰（1937-），男，安徽淮北人，本科在讀，專業(yè)：機械電子工程。

通訊作者：袁娜（1987-），女，安徽蚌埠人，碩士研究生，助教，研究方向：管理科學。