智能交流电力电子开关的研究

张锐 朱林

摘要：普通家用电器通常由机械开关控制。当这些开关接通或断开电路时，会产生电火花，这不仅降低了使用寿命，而且会造成安全隐患。传统的机械开关由于机械磨损，使用寿命短，负载接入和断开相位随机，容易对电网造成电磁干扰。智能交流电力电子开关是一种由固态电子元件组成的用于交流场合的遥控无触点开关。与传统的机械开关相比，智能交流电力电子开关在智能家居应用中具有遥控、使用寿命长、断路可靠性高、动作速度快、电磁干扰小、断路时无机械振动和噪声、无电弧和火花等优点，安全性高。智能家居方兴未艾。在智能家居和安全要求较高的场所，智能交流电源电子开关将成为一种趋势。

关键词：智能通信;电力电子;开关

采用可控硅触发脉冲时，触发脉冲和电源电压信号通常是同步处理的，需要合适的过零检测电路。经典的过零检测电路是用两个光耦控制器检测电源电压的过零时间并触发控制。这种过零检测方法容易受到晶闸管两端电压波动的影响。在抗干扰措施差的情况下，容易多次触发。采用带过零检测模块的光耦进行过零检测是一种简单的方案，但电路过零触发不够准确，可能导致误操作甚至损坏晶闸管。如果晶闸管投切电容器的工作环境出现方向错误，会引起较大的浪涌电流，容易损坏晶闸管和电容器。这两种光耦过零检测电路都存在过零和误导的情况，在设计时必须考虑相应的解决方案。用比较器检测电路，用软件设计相位补偿和零点校正方法，可以提高过零检测的精度。该方案成本稍高，需要使用单片机。采用相位补偿的高精度过零检测电路具有良好的检测精度，但电路复杂，芯片多，成本高。

1电路结构与设计

电路框图如图1所示。

1.1 红外控制电路的设计

红外控制方式相较于其它控制方式简单、成本低，采用无需单片机解码的简洁红外遥控方式。具体采用将红外接收头和解调输出电路集成的HS0038芯片，工作频率为38 kHz，当器件接收到信号时，器件的OUT端输出低电平;器件未接收到信号时，器件的OUT端输出高电平。

电路采用非门和D型触发器组成进行锁相和翻转的电路。为了配合HS0038B的使用，电路中所用的芯片都是TTL型的。非门用的是74LS04，D型触发器用的是74LS74。74LS04给74LS74创造与遥控按键同步的上升沿，且增强HS0038B的驱动能力。74LS74的作用是实现锁相和电平翻转的功能。

1.2 SCR主电路的设计

SCR主电路是由触发电路和过零检测电路组成的，设计的SCR主电路图如图2所示。

电路中的R3为限流电阻，R1和R2为防误触发电阻，RL为负载。该电路工作原理为：假设ULN大于0时，表示电源在正半周，ULN小于0时，则表示为电源在负半周;若MOC3083的LED端输入信号F可以驱动LED导通，那么MOC3083的双向晶闸管输出端就可以工作，则当电源从负半周向正半周过零进入正半周时，MOC3083输出端导通，晶闸管VT2正偏，电源经D1，MOC3083输出端，R3，R2，RL构成触发回路，VT2的G极电位比K极电位高，故VT2的G极有触发电流流过，当电流增大到一定值时，VT2导通;当电源从正半周向负半周过零进入负半周时，MOC3083输出端导通，晶闸管VT1正偏，电源经D2，MOC3083输出端，R3，R1，RL构成触发回路，VT1的G极电位比K极电位高，VT1的门极有触发电流流过，当电流增大到一定值时，VT1导通。整个电路通过调节R3的值可以调节触发时间，即移相。

2 计算机仿真

红外控制电路仿真由美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具Multisim 14。测试点的电压波形图如图3所示。

当S1合上，相当于HS0038B未接收到信号;U1A的输入端变为高电平，它的输出端变为低电平，产生了一个下降沿，U2A的Q端保持上一个电平状态。当S1断开，相当于HS0038B接到信号，U1A输入低电平，它的输出变为高电平，产生了一个上升沿，U2A的Q端电平状态翻转。观察U2A的输出端所接的LED负载工作情况，得知这个电路的工作是符合设计要求的。从仿真结果看，设计电路合理。

2.1 主电路的仿真

市电输入，主电路采用英国Lab Center Electronics公司的Proteus7.8，如图4所示。

当开关未合上，即MOC3043的输入端没有信号时，负载端的电压波形如图5所示，负载R1两端电压幅值非常小，只有几百微伏，視为零，说明此时SCR未导通。

当开关闭合时，MOC3043的输出侧工作，负载两端电压波形如图6所示，可见负载两端的电压幅值为310 V左右，与电源电压一致，波形无畸变。

各仿真结果均验证了电路的正确性和合理性，搭建实验台进行实验测试。

3 实验测试

市场有众多免费智能遥控功能APP，实验选用了德仕电视模式。实验采用20 W的感性负载风扇进行测试。红外控制接口未接收到信号时的状态，辅助电源指示灯（蓝灯）亮，红外控制输出电路指示灯（红灯）熄灭，电扇的扇叶处于静止状态。按下手机上的红外遥控按键，红外控制输出电路的指示灯（红灯）变亮，辅助电源指示灯（蓝灯）亮，电扇扇叶正常旋转。

实验测试证明智能交流电力电子开关具备手机遥控功能，电路设计是合理有效的。

结论

基于可控硅的智能交流电力电子开关采用互联网和红外控制技术，通过手机或电脑上的相关应用程序实现对开关的远程控制，提高了安全性和方便性，保证了人身安全，实现了开关的人性化、智能化。从计算机仿真和实验测试的角度来看，智能交流电力电子开关设计合理，功能齐全。智能交流电力电子开关可以替代传统的机械开关。手机遥控器使用方便，大大增加了操作的便利性。它可以取代传统的开关来提高智能。采用过零技术，无电磁干扰，无电弧，无火花，安全性高。因此，它可以广泛应用于智能家居和工业领域，特别是在矿业领域。系统电路简单可靠，成本低，易于安装和批量生产。

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