基于雙向可控硅的電水壺電路設(shè)計(jì)

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(diǎn)及附屬機(jī)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(jì)了一種利用光電耦合器控制雙向可控硅進(jìn)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(xiàn)標(biāo)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(jìn)行分析，并據(jù)此設(shè)計(jì)較為詳細(xì)的電路方案、繪制電路原理圖并計(jì)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(dāng)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?zé)o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(dǎo)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(dāng)水壺中的水較少或因?yàn)橄逌仄魇ъ`造成水壺進(jìn)入干燒狀態(tài)時，就要靠自復(fù)位熱斷路器動作來起到保護(hù)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(dāng)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(dāng)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(jìn)而導(dǎo)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(dǎo)電銅環(huán)與熱斷路器的觸點(diǎn)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(dǎo)致公座中觸點(diǎn)表面氧化，使得局部電阻增大，導(dǎo)致局部產(chǎn)熱量增大（或直接斷路），致使觸點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)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(diǎn)的分接電流或者使用非機(jī)械觸點(diǎn)的開關(guān)元件。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 控制回路設(shè)計(jì)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(dāng)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(jī)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(dāng)P2.4引腳輸出為低電平時，LED1導(dǎo)通，MOC3601的1、2腳間的發(fā)光二極管發(fā)出足夠強(qiáng)度的紅外光[5]，雙向可控硅具有接通條件，當(dāng)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?jǐn)啻蠊β守?fù)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(jì)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(jī)械觸點(diǎn)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(jī)械觸點(diǎn)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(fù)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(hù)，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(qiáng)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(dǎo)通與截止，進(jìn)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(jì)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(dāng)所有保護(hù)措施失效使得電水壺進(jìn)入非正常工作狀態(tài)時，熱熔體（一次性保護(hù)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(jì)分析

在電路設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)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(shí)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(fù)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(fù)載的負(fù)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(dāng)其滿足了所帶負(fù)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(yīng)采用大于（IC-IO）的， 以保證電路可靠工作。C1的耐壓值應(yīng)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(fù)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(jī)使用[7]。

3 結(jié)論

根據(jù)故障分析找出了無繩電水壺觸點(diǎn)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(jì)了無機(jī)械觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)分接負(fù)載的雙向可控硅電路，避免使用機(jī)械觸點(diǎn)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(jì)算出了電路的詳細(xì)參數(shù)，是一種新的電水壺控制方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡恒瑩，吳挺.無繩電水壺認(rèn)證中常見問題分析與探討[J].日用電器，2006（11）：53-55.

[2] 邵志成，徐本元.關(guān)于無繩電熱水壺著火原因的探討[J].電機(jī)電器技術(shù)，2004（5）：30-32.

[3] 余向陽.機(jī)械控制型電水壺、電開水器分析與檢修[J].家電檢修技術(shù)，2014（4）：45-47.

[4] 王德沅.小家電維修系列文章之十七——電水壺常見故障維修技巧[J].電子世界，2003（5）：75-77.

[5] 陳明輝，吳一平.MOC3061觸發(fā)晶閘管過零調(diào)功[J].電子技術(shù)，1994（9）：42-43.

[6] 高官龍. 晶閘管觸發(fā)與檢測自供電電路研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2018.

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

基金項(xiàng)目：黃山學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助，黃山學(xué)院2019年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：家用電器中基于雙向可控硅的無接觸器設(shè)計(jì)（2019015）

作者簡介：丁子峰（1937-），男，安徽淮北人，本科在讀，專業(yè)：機(jī)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(xué)。