一款基于分立元件设计的家用电器电机高低速控制电路

于季刚

（厦门理工学院电子与电气工程系，福建 厦门 361024）

1 引言

本设计缘于一款家用电器——果汁机的高低速控制电路。该电器具有停止、高速、低速和点动功能。原设计的控制电路是基于PIC单片机的控制系统，电路由变压器提供控制电路电源，由双向可控硅作为控制部件。

图1为原设计的控制电路PCB实物样本图片。版面尺寸为43mm×108mm。

图1 原设计的控制电路PCB实物样本图片

从图1看出，电源经变压器变压后输入到AC12端，经整流滤波稳压后为控制系统供电；控制系统由PIC单片机U1及其外围电路组成；SW 1、SW 2、SW 3和 SW 4为停止、高速、低速和点动功能键；LED1～LED6为相应的状态指示灯。负载驱动为双向可控硅。

考虑系统由可控硅做控制部件的，系统仍为热底板。为节约成本，电源拟采用阻容降压电路。系统拟用数字集成电路与分立元件来完成设计。

2 控制电路框图

控制电路框图如图2所示。

图2 电路框图

3 电路原理

控制系统核心拟采用数字集成电路 CD4011来组成。

CD4011为一款四个二输入的与非门，由2个与非门可以构成基本的双稳态触发器。

图3和表1出了由与非门构成的基本触发器逻辑图和非门构成的基本触发器的功能真值表[1]。

图3 由与非门构成的基本触发器逻辑图

表1 与非门构成的基本触发器的功能真值表

4 控制主电路原理与设计

利用一款数字集成电路四个二输入的与非门CD4011，可以完成停止、高速、低速和点动功能的设计。

如图 4所示电路，这是一款由数字集成电路CD4011（U3）构成的控制电路，控制功能键 S3、S2、S4和S1可分别完成停止、高速、低速和点动功能。

电路原理分析如下：

（1）停止功能键：按下停止功能键 S3，通过D7和D9分别使U3B的4脚与U3D的11脚输出为低电平。

（2）高速功能键：按下高速功能键 S2，可使U3B的4脚输出为高电平；同时通过C3与D8使U3D的 11脚输出为低电平（即可解除电机低速运行状态）。U3B的 4脚输出为高电平时通过高速指示灯D3与光耦U1的3脚去驱动双向可控硅。其中R7接交流电源的火线。

（3）低速功能键：按下低速功能键 S4，可使U3D的 11脚输出为高电平；同时通过 C4与 D10使U3B的4脚输出为低电平（即可解除电机高速运行状态）。U3D的11脚输出为高电平时通过低速指示灯D4与光耦U2的3脚去驱动双向可控硅。其中R14接交流电源的火线。

（4）点动功能键：按下点动功能键 S1，通过点动指示灯 D2与光耦 U1的 3脚去驱动双向可控硅。松开点动功能键S1时点动功能解除。

图4 由CD4011构成的控制电路

5 电源及总电路原理与设计

图5为控制电路总电气原理图。

本电路J1输入输出口，J1的1、2脚接交流电源，J1的2、3脚接驱动电机。

图5 总电气原理图

5.1 控制电路电流设计

选用光耦型号为 MOC3023，设计驱动电流10mA，电源指示 5mA， 所以控制电路总电流为20～25mA，整体的等效电路为图6所示。

图6 等效电路

根据

故选C1为0.33μF/400v。如果电源为110V 60Hz则相应改变C1值。

一般当选电容为1μF时，I≈70m A，这就是工程上电容降压供电电路常用的设计口诀“1μF等于70m A”，也就是说选用 1μF电容能为电路提供70mA的供电电流。

5.2 控制电路电压及驱动设计

控制电路电压取 12V，选用稳压管主要参数为12V 1W的1N4742；双向可控硅选用20A 400V的BT136；光耦选用光隔离三端双向可控硅驱动器芯片 MOC3023；其中 C7、C8、RW 1、R9和 R12组成移相电路[3]，调整RW 1可调节输出可控硅的触发角来调节电机转速。

6 控制电路PCB图

图7为控制电路的PCB版图，版面尺寸为：

图8为控制电路的PCB实物样本图片。

本控制电路实际应用于果汁机的高低速控制，成本低、工作可靠、控制效果良好。

图7 PCB版图

图8 PCB实物样本图片

7 结论

在电子技术高速发展的今天，传统的设计方法在实际应用中仍然具有它价值。

[1] 皇甫正贤编著.数字集成电路基础[M]. ISBN 7-305-02675-1/TP·115.南京大学出版社,1994:133.

[2] 孙骆生主编.电工学基础教程(上:电工技术)[M].ISBN 7-04-003174-4.高等教育出版社, 1998.8:106.

[3] 张友汉主编.电子线路设计应用手册[M].ISBN 7-5335-1405-5/TN-208.福建科学技术出版社:308.