PDF《几种家庭用控制器的原理》

几种家庭用控制器的原理 (发表於新电子杂志 2001?8 月号 第185 期p185?188) 林庆仁 中央研究院地球科学研究所 电子器材应用在家电自动化控制方面可说是越来越普遍,而其体积也越来 越小,价格也越来越便宜,也许它们是微不足道,但是当它们发生故障时往往 带给使用者莫大的困扰,若能深入了解其电路构造和原理,在检修方面便能省 下大量时间和零件成本,因此本文以三种控制器为例来分别介绍其电路构造和 原理.

一、调光电路 本电路为一构造极为简单且应用围相当广泛的电路,适合用来控制台灯 的光度、电扇的转速、电热器的温度及电烙铁的温度…等,其电路构造如图一, 原理说明如下: 本电路主要的控制元件为一只 TRIAC,利用 R-C 电路在 TRIAC 的闸极 (gate,G极)产生一触发电压(trigger votlage)使TRIAC 导通,由於 RC 造 成的时间延迟,当R越大时,电容C的充电电流越小,使得C的电位达到足以 触发 TRIAC 的时间越慢,因此在 TRIAC G极上的触发角度越大,MT

1、MT2 间的导通角度越小.RC 之数值计算如下: C R T ? = , sec

7 .

16 60

1 m Hz TMAX = = 若以 R=100KΩ来计算,则C=0.167μf,在此可用两个电容并联来取得 近似值,C1=0.15μf,C2=0.015μf.R1 是作为保护电阻,以免在 VR 调整到

0 时,太大的电流造成元件的损坏,在本电路中选用

3 KΩ5W的电阻.负载端可 连接一只 AC 插座,使用时只要将欲控制的电器(如灯泡、电热器等)插入即 可. S1 SW R1 3K/5W VR 100K C1 .15uF/400V C2 .015uF/400V Q2 DIAC To AC110V Q1 TRIAC 插座 负载 G MT1 MT2 图

一、调光电路

二、天暗自动照明装置 本装置系利用特殊感侧元件来侦测自然界的动态,进而改变其电流的导通 量来达到自动控制的目的,常用於家用小夜灯或马路上路灯照明的控制,当天 色渐暗时灯就渐渐亮起,而当天色渐明,灯就逐渐熄灭,完全自动控制无需人 为操作.其电路构造如图二,原理说明如下: 本电路是利用一光敏电阻(CDS)来侦测外界的光线强度,当外界光线 强的时候,CDS的电阻值变小,在C1 电容器的电压不足以使DIAC达到崩 溃电压而截止,TRIAC之闸极(gate)没有触发电压亦不导通,因此负载 之灯泡无法点亮.当外界光度渐暗,CDS的电阻值逐渐变大,在C1 电容器的 电压充得越高,而使DIAC达到崩溃电压而导通,触发到TRIAC之闸极 而使得负载之灯泡渐渐亮起.外界的光线越暗,C1 上的电压充电速度越快,D IAC越快崩溃,TRIAC闸极上之触发相角越小,通过负载灯泡上的电流 越大,灯泡就越亮.图二中VR500KΩ电位器系作为明亮光度的调整用,若将 图二之CDS与VR500KΩ电位器位置对换,则电路将相反动作(外界光线越 强灯泡就越亮) .在安装电路时 ,CDS的受光面应尽可能不被负载灯泡所照射, 以免产生回授作用使灯泡的光度无法达到最大甚至形成震荡开关的现象. 图二的电路由於在外界光线由明亮渐渐转为昏暗和由昏暗渐渐转为明亮的 时候,TRIAC的导通电流是逐渐增大或减少,因此只适用於控制传统热丝 型灯泡,对於电子式省电灯泡或日光灯的控制则必须使用如图三的电路,由继 电器来控制瞬间点亮或熄灭才适用,由於继电器的接点不是开就是关,故不会 有要通不通的问题,而U1

40106 为舒密特触发型(Schmitt Trigger)反相器 (Inverter) ,其在转态时具有笙窒(hysteresis) ,因此不会产生开关震荡的 情形,整个电路的原理说明如下: R1 1K/5W VR 500K To AC110V CDS Q1 TRIAC R2 1K/1W Q2 DIAC C1 .1uF/400V 灯泡负载 G MT1 MT2 图

二、天暗自动点灯电路 当外界光线强的时候,CDS的电阻值小,因此在U1A输入端(第1脚) 的电压值很小,U1A和U1B不转态,U1B的输出端维持低电压输出,Q1 无法 导通,继电器K1 无法动作,负载插座上无电压.当外界光线逐渐变暗时,CD S的电阻值逐渐增大,U1A输入端的电压值逐渐增加,当此点的电压达到一定 水准时,U1A转态,同时U1B也转态,U1B的输出端有高电压输出,Q1 导通, 继电器K1 动作,负载插座上可产生 AC110V的电压来点亮灯具,而点亮灯具的 同时,可能使得CDS的电阻值稍稍变小,同时使U1A输入端的电压值跟著降 低,但由於

40106 本身具有舒密特触发器的特性,并不会使得U1A和U1B再度 转态而造成震荡的情形.VR500KΩ是用来调整转态光线的强弱,T

1、D1 和C1 是降压、整流滤波电路,以提供一个稳定的直流电源.

三、液面控制开关电路 很多液体储存槽的液面控制器都是用一个浮球带动一个开关直接来控制抽 水马达的动作,因为开关系直接接上

110 或220 伏特的交流电源电压,所以在 开关的接点上容易发生跳火现象而造成开关接点接触不良甚至引起火灾,因此, 在市面上已有一种利用简单逻辑闸IC来控制的液面控制开关电路来取代传统 的浮球开关,它是利用三条导电棒(如图四)来代替浮球作为液面高度的侦测, 三个不同长度的导电棒形成电极置於蓄水槽当中,当液面高度降至A点时,启 动马达抽水,而当液面高度升高至B点时马达停止抽水而达到液面控制的效果. 其设计原理如下: 若以电极泡在液面下的状态为

0 ,悬空时的状态为

1 ,则依笆 的动作要求,可归纳成图五所示的真值表(True Table) ,此真值表的形式类似 To AC110V T1 9V - + D1 BRIDGE + C1 250uF/25V R1 4.7K 插座 负载 U1B

40106 3

4 Q1

9013 D2 1N4001 K1 12V RELAY U1A

40106 1

2 VR 500K CDS 图

三、天暗自动照明控制器 正反器的真值表,把图五中的A以R来取代,同时B以反S、抽水马达以反Q 来取代,则图五的真值表变成图六,再把图六整理一下成为图七,则成为R S正反器的真值表.依嬷当淼囊,把电极A接到正反器的 R 端, 电极B接一个反向器(Inverter)后再接到正反器的 S 端,而由正反器的反向 输出端MQ来控制抽水马达的动作,如此将可达到动作要求.RS正反器和反 向器可利用一个 NADN Gate 来构成,图八为依此原理所设计出的控制电路,其中U1B 和U1C 组成RS正反器,U1 A 作为正反器 S 的反向输入,U1 D 则当 作缓冲器(Buffer)来推动Q1,当U1D 输出端(第11 脚)为高电压时,Q1 电 晶体导通,继电器K1 接点关闭,抽水马达便可启动.继电器接点容量的选用须 大於抽水马达的消耗电流,才不至於烧毁,若使用三相马达,则继电器应选用 具三组以上接点的.此外,RS正反器和反向器亦可利用 NOR Gate 来构成, 其性能亦相同. VCC VCC VCC VCC R2 10K R3 10K R1 2.2K Q1 2N3055 M1 抽水马达 D1 1N4007 TO AC110V T1 15V - + D1 BRIDGE + C1 250uF/35V U1

7812 1

2 3 IN OUT GND K1 12V RELAY C2 .1uF U1C

4011 8

9 10 U1A

4011 1

2 3 U1B

4011 5

6 4 U1D

4011 12

13 11 蓄水槽 A B 电极G 电极A 电极B

7 14 U1 R-S正反器 反相器 缓冲器 R S Q Q S 稳压电路 图

八、液面控制电路 ........