家用電器中的大功率部件單片機驅動介面

摘要：簡要介紹了家用電器單片機控制所用的基本元件和基本電路, 較詳細介紹了家用電器中單片機外圍電路的功率驅動介面。
　隨著微電子技術的發展, 單片機在家用電器中的應用越來越廣泛。單片機需要根據一定的控制規律控制家用電器中的一些功率部件工作。這些部件是實現家用電器功能的重要部件。例如洗衣機中的洗滌電機和脫水電機; 電熱爐中的加熱元件(硅碳棒或電熱絲等) ; 電冰箱和空調器中的壓縮電機; 在微波爐中的磁控管; 在電磁爐中的變換電路, 在半導體冰箱中的熱電堆管等。單片機是微電子器件, 它的輸入信號功率很小, 要直接驅動大功率部件是不可能的,要實現其控制作用, 需要中間的變換電路, 這種電路就是中間驅動電路介面。本文主要介紹常用的單片機電機驅動電路介面。
    電機的控制是家用電器中一種普遍的應用技術, 用單片機去控制家用電器中的電機, 使之具有一定的狀態和性能, 必須有適當的介面電路。一方面, 電機是大功率執行元件, 另一方面, 它是感性負載。在家電的控制中, 應給予考慮。例如洗衣機和電冰箱及空調器等家用電器中都是由電機拖動工作, 而且這些電機的工作狀態是不一樣的。空調器和電冰箱的電機用於帶動壓縮機工作, 所以它工作在間歇狀態;洗衣機中的電機則工作在正反轉狀態; 而電風扇的電機則工作在長期運行工作狀態或調速工作狀態。要用單片機進行控制必須採用不同的驅動電路和介面電路。

1　電機控制的基本元件和電路
1.1　雙向光電耦合器
　雙向光電耦合器和一般光電耦合器不同。一般光電耦合器由發光二極體和光敏三極體組成, 所以輸出級光敏三極體中的電流是單向的。
    在雙向光電耦合器中, 輸入級是發光二極體, 輸出級是光敏雙向管, 在導通時, 流過的雙向電流達100 毫安, 壓降小於3 伏, 導通時最小維持電流為100 微安。在截止時, 其阻斷電壓為直流250 伏, 當維持電流小於100 微安時, 雙向管從導通變為截止。當阻斷電壓大於250 伏, 或發光二極體發光時, 則雙向管導通。為了降低雙向光電耦合器的誤觸發率, 通常在光電耦合器的輸出端加阻容吸收電路。雙向光電耦合器又稱為雙向晶閘管驅動器, 專門用於驅動雙向晶閘管。類型有過零觸發耦合器(例如MOC3030 等) 和非過零觸發耦合器(例如MOC3009) 兩種。

1.2　固態繼電器SSR
    固態繼電器是電子繼電器, 它有兩個輸入端和兩個輸出端, 輸入端和輸出端之間有光電隔離, 並且是過零開關輸出。其特點是: 無運動部件, 所以無振動, 無衝擊雜訊; 開關速度快, 通常小於10 微秒; 不會產生抖動輸出; 在半個周期內有鎖存功能; 靈敏度高; 可直接由TTL 或CMOS 邏輯控制, 輸出間的電容小等。經常用於微機控制的介面電路中。

1.3　感性負載控制電路
    電路如圖1 所示。在控制電路中用了兩個雙向光電耦合器。因為每個雙向光電耦合器只能耐250 伏的直流電壓, 不能直接用在220 伏的交流電路中(其峰值電壓為311 伏)。圖中R2和R3 是平衡電阻, 其作用是使兩個光電耦合器分得相同的電壓。R4 是限流電阻。R4 的選取可按下式選擇。
R4= Vpr/1.2。Vpr是加在MOC3011 上的峰值電壓, 圖中R4 的阻值取180 歐姆。
 
圖1　感性負載控制電路
    由於感性負載電流和電壓不同相, 所以其電壓的變化率就升高, 由此容易引起誤觸發。為了減小電壓的變化率, 常在電路中加RC 阻容吸收環節, 圖1 中的阻容吸收電路由R5 和C1組成。取值由Itg (雙向可控硅控制極的觸發電流) 確定。
Itg= 15mA 　　R5= 2.4kb 　　　C1= 0.1uF
        30                        1.2                           0.2
        50                        0.8                           0.3
如果雙向可控硅所控制的是電阻性負載,可以不用RC 阻容吸收電路。

2　單片機的電機驅動介面電路
    大功率驅動部件——電機, 在家用電器中一般有兩種工作方式, 一種是開關控制方式; 另一種是調壓控制方式。前者用於起停壓縮機及洗滌電機等。後者用於電風扇等的調速控制。

2.1　開關控制方式的電機驅動介面
    電路如圖2 所示。圖中所示有兩個部分。上面部分是直接邏輯電平耦合電路介面, 下面部分是光電耦合電路介面。在直接耦合電路中, 電路是由三極體Q1, 雙向可控硅TR1 和電機M1等組成, 其中雙向可控硅TR1 是工作在第二、第三象限, 其門極的觸發信號為負電壓。即當三極體Q1 導通后觸發雙向可控硅TR1 使之導通, 而當Q1 截止時, TR1 也截止。其工作過程是: 當單片機的A 口I/O 輸出為低電平時,三極體Q1 截止, 此時雙向可控硅TR1 沒有被觸發也處於截止狀態, 壓縮機等電機就不工作;當單片機的A 口I/O 輸出為高電平時, Q1 導通, TR1 被觸發導通, 壓縮機開始工作。
 
圖2　開關控制方式電機驅動介面電路
    在光電耦合電路介面中, 驅動電路由雙向光電耦合器OC1 (MOC3081) 和雙向可控硅TR2 和電機M2 等元件組成, 其工作過程如下: 當B 口I/O
輸出為高電平時, 發光二極體不亮, TR2 截止,電機M2 就不工作, 反之, 當B 口I/O 輸出為低電平時, 發光二極體發光, 可控硅TR2 被觸發導通, 驅動電機M2 工作。

2.2　調壓控制方式的電機驅動介面
    在有些家用電器中, 需要對電機進行調速,此時可利用圖3 所示的驅動控制電路實現。圖3 中有兩個不同的介面電路, 它的結構是類同的。只是電機部分的電路不同, 這些電路的工作還需要電源過零信號同步。電源過零信號可以從電源變壓器低壓端整流后取得。圖中A 口I/O 是單相電容電機調速控制電路。其電路由OC1 (MOC3021) , TR 1 和電機M1 組成, 在過零信號同步作用下, A 口I/O 線輸出100Hz 的移相信號, 正脈衝使雙向耦合管中的發光二極體導通發光, 進而觸發TR 1, 隨著移相角不同,TR1 的導通情況就不同, 電機M1 上得到的電壓就不同, 所以它的速度也就不同。從而達到了調速的目的。
 
圖3　調壓控制方式的電機驅動介面電路
    B I/O 和A I/O 相似。區別在於電機部分,電容C4 是電機的啟動電容, 當TR2 導通時, 電機M2 的工作電流很大, 在R7 上形成較大的壓降, 從而觸發TR3 導通, C4 和啟動繞組有電流, 電機啟動。當轉速穩定時, 工作電流下降,從而使R7 上的電壓降變小, TR3 不導通, C4和啟動繞組斷開。電機此後進入正常工作狀態。
    圖中的C5 和R 8 是阻容吸收電路, 用於抑制TR3 的電壓速度變化率。
    總之, 在家用電器的控制方面, 現在越來越趨向於小型化和智能化, 要實現這種功能, 微型計算機起了一個很重要的作用。應該說, 單片機在家用電器的控制方面有著廣泛的應用。如何利用單片機等小功率的器件去控制大功率器件十分重要。