一款基于分立元件設(shè)計(jì)的家用電器電機(jī)高低速控制電路

于季剛

（廈門(mén)理工學(xué)院電子與電氣工程系，福建 廈門(mén) 361024）

1 引言

本設(shè)計(jì)緣于一款家用電器——果汁機(jī)的高低速控制電路。該電器具有停止、高速、低速和點(diǎn)動(dòng)功能。原設(shè)計(jì)的控制電路是基于PIC單片機(jī)的控制系統(tǒng)，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(shè)計(jì)的控制電路PCB實(shí)物樣本圖片。版面尺寸為43mm×108mm。

圖1 原設(shè)計(jì)的控制電路PCB實(shí)物樣本圖片

從圖1看出，電源經(jīng)變壓器變壓后輸入到AC12端，經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓后為控制系統(tǒng)供電；控制系統(tǒng)由PIC單片機(jī)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(diǎn)動(dòng)功能鍵；LED1～LED6為相應(yīng)的狀態(tài)指示燈。負(fù)載驅(qū)動(dòng)為雙向可控硅。

考慮系統(tǒng)由可控硅做控制部件的，系統(tǒng)仍為熱底板。為節(jié)約成本，電源擬采用阻容降壓電路。系統(tǒng)擬用數(shù)字集成電路與分立元件來(lái)完成設(shè)計(jì)。

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(tǒng)核心擬采用數(shù)字集成電路 CD4011來(lái)組成。

CD4011為一款四個(gè)二輸入的與非門(mén)，由2個(gè)與非門(mén)可以構(gòu)成基本的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

圖3和表1出了由與非門(mén)構(gòu)成的基本觸發(fā)器邏輯圖和非門(mén)構(gòu)成的基本觸發(fā)器的功能真值表[1]。

圖3 由與非門(mén)構(gòu)成的基本觸發(fā)器邏輯圖

表1 與非門(mén)構(gòu)成的基本觸發(fā)器的功能真值表

4 控制主電路原理與設(shè)計(jì)

利用一款數(shù)字集成電路四個(gè)二輸入的與非門(mén)CD4011，可以完成停止、高速、低速和點(diǎn)動(dòng)功能的設(shè)計(jì)。

如圖 4所示電路，這是一款由數(shù)字集成電路CD4011（U3）構(gòu)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(diǎn)動(dòng)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(guò)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(shí)通過(guò)C3與D8使U3D的 11腳輸出為低電平（即可解除電機(jī)低速運(yùn)行狀態(tài)）。U3B的 4腳輸出為高電平時(shí)通過(guò)高速指示燈D3與光耦U1的3腳去驅(qū)動(dòng)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(shí)通過(guò) C4與 D10使U3B的4腳輸出為低電平（即可解除電機(jī)高速運(yùn)行狀態(tài)）。U3D的11腳輸出為高電平時(shí)通過(guò)低速指示燈D4與光耦U2的3腳去驅(qū)動(dòng)雙向可控硅。其中R14接交流電源的火線。

（4）點(diǎn)動(dòng)功能鍵：按下點(diǎn)動(dòng)功能鍵 S1，通過(guò)點(diǎn)動(dòng)指示燈 D2與光耦 U1的 3腳去驅(qū)動(dòng)雙向可控硅。松開(kāi)點(diǎn)動(dòng)功能鍵S1時(shí)點(diǎn)動(dòng)功能解除。

圖4 由CD4011構(gòu)成的控制電路

5 電源及總電路原理與設(shè)計(jì)

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(qū)動(dòng)電機(jī)。

圖5 總電氣原理圖

5.1 控制電路電流設(shè)計(jì)

選用光耦型號(hào)為 MOC3023，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)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(jù)

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

一般當(dāng)選電容為1μF時(shí)，I≈70m A，這就是工程上電容降壓供電電路常用的設(shè)計(jì)口訣“1μF等于70m A”，也就是說(shuō)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(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

控制電路電壓取 12V，選用穩(wěn)壓管主要參數(shù)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(qū)動(dòng)器芯片 MOC3023；其中 C7、C8、RW 1、R9和 R12組成移相電路[3]，調(diào)整RW 1可調(diào)節(jié)輸出可控硅的觸發(fā)角來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)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(shí)物樣本圖片。

本控制電路實(shí)際應(yīng)用于果汁機(jī)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(shí)物樣本圖片

7 結(jié)論

在電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用中仍然具有它價(jià)值。

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

[2] 孫駱生主編.電工學(xué)基礎(chǔ)教程(上:電工技術(shù))[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(shè)計(jì)應(yīng)用手冊(cè)[M].ISBN 7-5335-1405-5/TN-208.福建科學(xué)技術(shù)出版社:308.