空调典型电路设计规范.docx
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空调典型电路设计规范
●总述
电子电路与电子设备都需要有一个稳定的直流电源提供能量,而且对于我们现在所面临的控制器而言,都是利用电网提供的交流电源,经过整流、滤波、稳压后,滤去其不稳定的脉动、干扰成分,来使电子电路与电子设备保持正常的工作,并且我们目前绝大部分都是使用的线性电源,即通过降压、整流、滤波、稳压后而提供给电子电路及芯片工作的。
下面我们就原理及设计规范分各部分具体说明。
第一部分:
原理性介绍
下面我们就线性电源的降压、整流、滤波、稳压部分分节做较为详尽的原理性介绍
一、线性电源电路的方框图与典型原理图:
线性电源电路基本上由四部分组成:
变压器降压、二极管或桥堆整流、电容或电感滤波、三端稳压块稳压,他们之间的组合则可构成一个最基本的,也是最可靠的线性电源电路:
V1~变压器V01整流V02滤波V03稳压V0负载
方框图
变压器整流桥
78127805
C1C2C3C4C5C6
典型电路图
二、线性电源电路的降压部分即电源变压器部分
1、结构与原理
变压器由线圈绕组、铁芯组成。
一般而言,变压器还有一个外壳,用来起屏蔽和固定作用。
一般的变压器具有一个一次绕组、一个或多个二次绕组,线圈绕在铁心上。
给一次绕组加上交流电,由于电磁感应的原理,在二次绕组上则有电压输出。
给一次绕组加上交流电后,在二次绕组周围则产生交变磁场,一次绕组通电后产生的磁力线绝大部分由铁心构成回路(铁心的磁阻远小于空气的磁阻)。
二次绕组绕在铁心上,这样它的线圈切割磁力线而产生感应电动势,结果在二次绕组两端有电压输出。
无论在铁心上绕几个二次绕组,二次线圈上都会切割磁力线而产生感应电动势。
2、主要特性
1电压比:
亦称匝变比,用n表示。
它是一、二次绕组匝数之比:
n=N2/N1=V2/V1;
式中:
n——变压器的匝比
N2——二次绕组的匝数
N1——一次绕组的匝比
V2——二次绕组的输出电压
V1——一次绕组的输出电压
将上面的公式变换一下,得:
V2=V1*N2/N1
从上式可知,
当n>1时,V2>V1,为升压变压器;
n=1时,电压未变化,称为1:
1变压器(如隔离变压器);
n<1时,V2 ②电压与电流的关系 为分析方便,假设变压器是无损耗的,那么一次侧输入功率等于二次侧输出功率,即P1=P2。 由P=V*I可知: I1*V1=I2*V2; V1/V2=I2/I1; 从上式可知,当V1>V2时(即n<1),有I1 在实际应用中,变压器是存在损耗的,但电压、电流关系仍符合以上所述的关系。 ③阻抗关系 变压器可以进行电压变换,在某些场合则是利用它的阻抗变换特性。 利用欧姆定律,上述推导公式做适当的变换,得; P=V2/Z; P1=P2; V12/Z1=V22/Z2; Z2/Z1=V22/V12=(V2/V1)2=(N2/N1)2=n2; 式中: Z1——变压器一次输入阻抗 Z2——二次负载阻抗 n——匝比 由上式分析可知,Z1、Z2之间的关系与n2有关: 当n1=n2时,Z1=Z2,这说明变压器一次侧的输入阻抗等于二次侧的负载阻抗,此时变压器无阻抗变换作用; 当n1>n2时,Z1=Z2/n2,这说明变压器一次侧的输入阻抗等于二次侧的负载阻抗降低n2倍; 当n1 在放大器的级间耦合电路中,为了能使负载获得最大的激励阻抗,往往采用变压器(阻抗变压器)来进行阻抗的匹配。 因为最佳阻抗匹配的条件是激励信号源内阻等于负载阻抗,此时能使负载获得最大功率。 ④互感现象 变压器是利用互感现象原理工作的: 当一次侧绕组通以交流电时,一次绕组产生磁场,二次绕组的线圈切割磁力线而产生感生电动势,这样由交变电场生成磁场,磁场通过闭合的铁芯耦合到次级绕组,从而在次级线圈中生成感应电动势V01。 ⑤屏蔽作用 在给变压器的一次绕组通以交流电时,绕组周围会产生磁场,尽管有铁心给绝大部分磁力线构成磁路,但仍有一些磁力线散布在变压器附近的一定空间范围内。 这些磁力线会对附近的电路形成一定的磁干扰,所以一般要给变压器加上屏蔽壳。 屏蔽壳不仅可防止变压器干扰其他的电路,同时亦可防止其他杂散磁场干扰他的正常工作。 3、主要参数 1、额定功率 在额定的频率与电压下,变压器长期工作而不超过规定的允许温升的最大输出功率,单位为VA。 2、变比 即电压比,它反应了变压器的电压变换能力。 一般用二次侧输出电压表示。 3、温升 它指在变压器工作下,温度达到稳定值时,变压器比环境温度高出的部分。 要求变压器温升愈低愈好。 4、效率 效率=输出功率/输入功率。 效率越高,变压器的损耗越小。 5、绝缘电阻 绝缘电阻不仅关系到变压器的性能,而且关系到变压器使用时的安全问题。 绝缘电阻=施加电压/产生的漏电流 一般可用仪器测量,应在10MΩ以上。 三、线性电源电路的整流部分电路 整流电路的作用为将经变压器降压后的交变电压通过二极管变为单向的脉动电压。 为考虑到成本与性能,我们一般采用桥式整流的方式。 它相较半波、全波整流而言,具有二极管反向耐压值教小,通过二极管的电流较小,同时能量的利用率高等特点。 1、二极管的工作原理 一般二极管按材料分有硅二极管与锗二极管两种。 它具有单向导电性。 二极管由P型半导体与N型半导体构成,在P型、N型半导体之间接触面形成一个PN结,通过PN结对不同方向电压的不同导电性来达到导通与截止的作用。 当通以正向电压时,电流流过;通以反向电压时,二极管截止,电流不能通过。 2、二极管的工作特性 ①、V-A特性; V-A特性就是二极管两端电压与流过的电流之间的关系特性。 ②、管压降 二极管在正向导通时,其正极、负极之间的电压称为正向压降,不同材料的二极管的管压降不一样,对于一种规格的二极管,它的管压降是一定的。 对于硅二极管,压降为0.6~0.7V,锗二极管,压降为0.2V左右。 ③、正反向电阻 正向电阻远远小于反向电阻,这是二极管的单向导电性决定的。 3、主要参数 ①最大整流电流IM 表示它在长期工作时,允许通过的最大电流。 2反向电流Ico 它是在给二极管加上规定的反向偏置电压时,通过二极管的电流。 它越小好。 3最大反向工作电压VRM 它是指二极管在正常工作时所能承受的反向电压的最大值。 4最高工作频率 由于材料、结构、工艺的影响,当二极管工作在一定的高频率时,二极管将失去它的良好工作特性。 二极管保证它的工作特性的最高频率,称之为最高工作频率。 另外还使用整流桥堆,我们可以把它看作四个二极管的集成封装在一个器件里面。 其参数、特性与二极管类同。 四、线性电源电路的滤波部分电路 通过整流后,电源的脉动成分较大。 滤波电路的作用就是降低整流后输出电压中的脉动成分的同时,尽量保持其中的直流成分。 一般典型而有效的滤波电路就是电容滤波、电感滤波,利用它们在整流二极管导通时储存一部分能量,然后再释放出来,滤去电源中的脉动成分,从而得到比较平滑的电源波形。 若将电容与电感合理的安排在电路中,则可以有效的降低交流成分,保持直流成分。 1、电容的参数及特性 1、标称容量与允许偏差 一般电容的允许偏差有5%、10%、20%。 2、额定电压 额定电压是指在规定温度范围内,可以连续加在电容器上的最大直流电压或交流电压的有效值。 3、电容温度系数 有正温度系数的电容,亦有负温度系数的电容。 在使用中,希望温度系数越小越好。 4、漏电流 是指在正常工作时,在电容两端的泄漏电流。 在使用中,我们希望漏电流越小越好。 5、频率特性 大容量的电解电容的高频特性不好。 大电解电容的等效电路为一电容与电感串联。 在频率较高时,它的感抗较大,这样大电解电容的阻抗在高频时,是随着频率的增大而增大。 2、电解电容的选取 在我们所使用的小功率线性电源电路中,大部分使用的为电容滤波,通过其放电特性来实现。 放电的时间常数为τ=RC,τ越大,放电过程越慢,则输出电压越稳定,滤波效果越好,所以一般而言,C1、C3、C5电容在实际应用电路中,采用电解电容。 C2、C4、C6采用独石电容。 C1、C3、C5容值依照所带的负载电流的大小而定; τ>=(3~5)T/2,T为电源周期,R=Uo/Io,C>=(3~5)T/(2R)=(3~5)/(2Rf)。 电容的耐压>1.414Vo1。 依照以上两个参数,选取电容C1、C3、C5。 一般经验为IMAX=500mA,C=2000uF; IMAX=350mA,C=1000uF; IMAX=100mA,C=470uF; 3、独石电容的使用 电源通过电解电容滤波后,滤去的是脉动部分,交流脉动部分通过C1、C3、C5流入地。 由于C1、C3、C5容值较大,在高频时阻抗较大,有感抗特性,即C1、C3、C5对高频干扰信号无法滤去,所以在实际电路中,我们再使用独石电容滤去其高频干扰部分,改变负载的瞬态响应特性。 在一般电路中,C2=104~224,C4=104~224,C6=104。 四、线性电源电路的稳压部分电路 电源通过降压、整流、滤波后,要提供给电子器件或芯片工作电源,保证其正常的工作,精确的取样,还需经过稳压,滤波。 目前我们使用的为三端稳压器7805、7812,它有输入、输出和公共端三个端子。 输出电压稳定不变。 这种稳压器内部集成有取样电路、保护电路、调整电路、比较放大电路、基准电路、启动电路、恒流源电路。 方框图如下: 调整电路 恒流源部分保护电路 UiUo 启动基准比较取样 电路电路放大电路 稳压器工作原理方框图 1、稳压器的参数: 1、最大输出电流Iomax: 它是指集成稳压器允许输出的最大电流的极限值。 但是请注意,最大输出电流与最大负载电流Ilmax不同,Ilmax是指稳压器正常工作时的最大输出电流,为保证稳压器正常工作,Ilmax应小于Iomax。 同时请注意最大输出电流Iomax往往由调整管的最大消耗功率Pmax来决定: Iomax=Pmax/(Ui-Uo)。 Ui为稳压器的输入电压; Uo为稳压器的输出电压。 最大消耗功率与稳压器上所加的散热片散热效果有关。 ②、最大输入电压Uimax 它是指稳压器的输入端所允许加的最大电压。 应用时超过此极限值会导致稳压器损坏。 ③、最大耗散功率Pm: Pm=(Ui-Uo)*Io ④、工作温度Topr ⑤、最小输入、输出电压差(Ui-Uo)min 为了保证稳压器正常工作,必须保证具有一定的输入、输出电压差。 如果输出以定,则输入必须保证大于一定值。 若输入太低,则可能导致稳压器稳压性能不好,而且输出电压的纹波也会过大。 电源经稳压器稳压后,会因为器件本身的原因及负载的变化,导致电压有一定的波动、纹波。 为保证器件的正常工作,需采用电容滤波。 2、应用注意问题 在实际应用电路中,我们应该注意以下几个问题: 1、最大输出电流 对于目前我们所使用的稳压器,要注意它的最大输出电流,即一定要保证它的带载能力。 对于MOTOROLA的稳压器而言, MC78XX的最大输出电流为1.0A; MC78LXX的最大输出电流为0.1A; MC78MXX的最大输出电流为0.5A; MC78TXX的最大输出电流为3.0A; 2、输出电压情况 在厂家介绍稳压器的资料中,都没有C2、C4、C6,但在我们的具体实际应用中,为了减低输出电压的纹波,保证它在运行的发热高温过程中,纹波不能太大,我们一定要加这三个高频滤波电容,一般选择耐压25V的独石电容就能达到要求。 3、散热情况 在稳压器的运行过程中,由于它要消耗一定的功率,所以一般而言,发热比较严重,在负载较大时,需使用散热片帮助其有效散热。 需散热的功率可按下式估算: P=(Ui-Uo)*Io 算出需散热的功率后,依据实际条件,选取散热片,以帮助稳压器有效散热。 通过以上所介绍的降压、整流、滤波、稳压环节,我们将交流电网所提供的交流电源,经变压器降压后,整流为脉动的直流电源,再经滤波后,保持其直流部分,滤去交流和干扰部分,提供给稳压器,经稳压器稳压后,滤波,再提供给负载,以保证电源的稳定性,满足电子器件及芯片的正常、稳定的工作。 第二部分、设计规范 就以上对线性电源电路的介绍,参照目前我们的设计,提出以下设计指引,以规范我们的设计。 一、变压器 现在我们所使用的线性电源电路中,变压器都为降压变压器,即n2/n1<1;目前所采用的变压器的生产厂家有深圳三马、深圳可立克、南京无线电五厂。 1、次级电压的选取 一般我们所选用的稳定的直流电压为两种,一个为12V,一个为5V。 如果电源整个功率不大,则可考虑只抽出一组抽头,为14.5V的次级电压。 5V电压从12V上抽取,这样的设计比较简单,且可靠。 选定此次级电压时,需考虑电网电压的波动及为后一级的稳压元件提供足够电源,故次级电压一般选定为14.5V。 若电源功率较大,则可考虑出两组抽头,一组供12V,一组供5V。 一般选定出5V的次级绕组电压为7.5V,也是为考虑到电网的波动和供电功率。 2、功率的选定 12V主要用于供给继电器、2003、12V电机及其他的12V辅助电路,5V主要用于供给芯片、取样电路、输出控制电路、显示、开关等电路及电子元件的工作。 设计次级输出功率时,请先依照其各自所带的负载情况,算出其所需的电源功率,加上20%的设计裕量,再来设计变压器的输出功率。 3、变压器的接线端子型号 为统一及生产的方便起见,一般变压器的接线端子型号如下: 初级: VH-3中间插孔不用 次级: PH-3中间插孔不用 4、散热情况 另外需充分考虑到变压器的散热,必须为其留出一定的散热空间。 二、整流电路 在我们目前的应用中,由于电源为工频电源,故主要考虑的参数为最大整流电流、最大反向电压。 1、最大整流电流 在实际电路设计中,我们同实验或理论计算,可计算出电源的负载电流I,则流过二极管的电流为I/2,可依此算出二极管的负载电流,选取二极管或桥堆型号。 对于我们目前一般的线性电源,功率一般都比较小,选择1A整流电流的二极管就可以满足要求 2、最大反向电压 在前面所画的电路中, V02=0.9V01 反向峰值电压=1.4V01 依照上面的公式计算出反向峰值电压,对照器件规格、参数来选取二极管或整流桥堆的型号。 目前我们所使用的整流二极管基本上为IN4004,它的技术参数可参考所附的器件资料。 整流桥堆的型号为T1VBA60。 另外,考虑到成本,我们应该在尽可能的情况下,选择使用二极管。 三、滤波电路 在我们的实际线性电源电路中,通过电解电容滤去脉动成分,再通过独石电容滤去高频干扰成分。 依照上面所介绍的电容的选择办法,我们选择的电容如下: C1=100uF~2200uF/25V,C3=470~1000uF/16V,C5=100~470uF/16V,C2=104~224/25V,C4=104~224/25V,C6=104/25V。 值得一题的是大家需注意以上所选电容的耐压值,依照公式计算出耐压值来选取,对于稳定的12V,我们一般选用16V耐压的电容。 四、稳压电路 1、在我们所设计的线性电源电路中,稳压部分电路一般为采用7812、7805稳压,再通过电容滤波来稳定电压。 2、对于部分电器件负载,若它对电源的要求不高,则可直接设计好变压器的次级输出电压,然后通过二极管或整流桥堆滤去脉动成分后,再通过独石电容滤去高频干扰成分,直接供给负载,比如我们所使用的换气电机的12V电源,就是通过上面的方式来供电的。 3、我们目前空调所使用稳压器,7812、7805上的发热是比较严重的,所以大家对于散热片的使用一定要慎重。 当散热不够时,稳压器就可能提供不了负载所需的功率,或电源出来的纹波太多,导致芯片复位或误动作。 ●总述 分体机室内风机目前用的是塑封电机,为单向异步电容运转电动机。 为了满足空调正常的运转,达到制冷、制热能力的平衡,所以必须保证室内风机的转速满足系统的要求,并保持转速的稳定。 为达到以上目的,我们采用可控硅调压调速的方法来调节风机的转速。 为了保证所调电压满足转速要求,则必须检出电源的零点和测出风机的转速,故在实际电路中,我们还使用了过零检测电路来检出电源的零点、使用风机转速检测电路来检测转速,再通过调节可控硅导通角来使风机转速达到系统要求。 以下分几个部分来介绍风机调速电路。 第一部分: 塑封电机工作原理介绍 1、电机工作原理 我们所采用的室内风机电机为塑封电机,为单向异步电容运转电动机,级对数为四级,并带转速反馈,电机每转一周,输出一个方波信号。 单向异步电动机结构简单,成本低,振动和噪音较小,并且只需单相电源供电,所以在家电行业中应用广泛。 它主要由定子与转子两部分组成。 定子部分由定子铁心、绕组和基座组成。 定子铁心由硅钢片压成,且内园有许多槽,用以嵌放定子绕组。 由于单向绕组只能产生脉动电势,电机没有启动转矩而无法启动,因此单向电机的定子有两相绕组,两相绕组的轴线在空间相差90度电角度,其中一相绕组称为主绕组,另一相绕组称为副绕组或启动绕组。 转子部分由转子铁心、转子绕组和转轴组成。 转子铁心也用硅钢片冲制而成,且外园冲有许多槽,用以安放转子导条。 电机的定子两相绕组通过交流电后,在定、转子之间的气隙中产生旋转磁场,其旋转速度叫同步转速,以n1表示。 n1的大小决定于通入电流的频率和电机的极对数P: n1=60f/p(转/分) 当转子导体被此旋转磁场的磁力线切割时,导体内将产生感应电动势。 在转子回路闭合的情况下,转子导体中就有电流流过,载流导体在磁场中受到电磁力的作用而跟着旋转磁场转动,其转速为n。 转子旋转时会产生能量转换,这就是异步电动机的基本工作原理。 2、电容运转单相异步电动机工作原理 由于使用的电源为单向交流电,从上面所介绍的电机的绕组情况而言,若不在启动绕组上接电容,而直接在两相绕组上加交流电或只在主绕组上加交流电,则产生的为脉动磁场,不能给转子提供启动力矩,故在实际电路中,我们采用在启动绕组电路中串接启动电容的方法来使电机获得启动力矩。 电容运转单相异步电动机定子副绕组(即启动绕组)电路中串接电容器,此电容器在电机启动与运转过程中都参与工作,由于电路中串接电容,使副绕组回路为容性,故副绕组电流相位超前于电压,主绕组电流则落后于电压(由于主绕组回路为感性)。 当电容参数设计合适时(一般为通过实验选定能满足要求的电容),两个绕组电流的相位差将接近90度,从而产生较大的启动转矩,而启动电流较小。 这样来使电机获得启动转矩。 主绕组C 副绕组 (图一) 3、可控硅调压调速原理 可控硅调速是用改变可控硅导通角的方法来改变电动机端电压的波形,从而改变电动机端电压的有效值,达到调速的目的。 u α1 t α1 (图二) 当可控硅导通角α1=1800时,电动机端电压波形为正弦波,即全导通状态;当可控硅导通角α1〈1800时,电动机端电压波形如图实线所示,即非全导通状态,有效值减小;α1越小,导通状态越少,则电压有效值越小,所产生的磁场越小,则电机的转速越低; 由以上的分析可知,可控硅调速时电机转速可连续调节,但这时电动机电压和电流波形不连续,波形差,故电动机的噪音大,并带来干扰。 故我们在电路设计时,需考虑这方面的问题,应有适当的滤波电路。 第二部分: 过零检测原理与电路 过零检测电路的原理图如下: +5V 5.1K 12K IC过零脚 ~IN414812K12K223 (图三) 电网交流电源经变压器降压后,先通过两个二极管整流,形成脉动直流波形: V t(图四) 经过电阻分压后,再经过电容滤波,滤去高频干扰成分,形成与上图波形一致的电压波形; 当电压大于0.7V时,三极管导通,在三极管集电极形成一低电位;当电压再次降到低于0.7V时,三极管截止,三极管集电极通过上拉电阻5V,形成高电位;这样通过三极管的不停的导通、截止、再导通,在芯片过零检测脚形成100HZ脉冲波形,芯片通过判断,检测电压的零点。 V 0.7 1. T 1 V 0 T(图五) 第三部分: 速度检测电路 要达到将塑封电机转速稳定在一定风速上的目的,则必须同时同步的检测出风机的转速,并通过软件判断,调整驱动电压的大小,来使风机转速稳定: 通过电机内置霍尔元件,检测风机的转速,风机每转一周,输出1个脉冲方波,通过一个限流电阻后,再通过103电容滤去高频干扰,用二极管4148钳位,保证输入芯片脚的电压低于5V,这样来保护芯片管脚不会损坏。 芯片通过对输入脉冲方波的频率的检测,来判断风机的转速是否达到要求。 若转速低于目标转速,则加大可控硅导通角,提高风机电压的有效值,使风机转速增大;转速高于目标转速,则减小可控硅导通角,降低风机电压的有效值,使风机转速变低; 风机速度检测电路图见图六。 第四部分: 风机驱动电路 经过速度检测与软件判断后,芯片通过控制脚输出控制信号,来控制驱动三极管Q1的导通与截止: 当驱动口电平为低时,三极管处于截止状态,TLP3526的输入级发光二极管未工作,故电机上未施加电压。 当驱动口电平为高时,三极管处于导通状态,TLP3526的输入级发光二极管通过+5V、390Ω电阻、Q1三极管拉地工作,给电机上施加电压。 1U/450VAC的电容为前面所介绍的风机启动、运行电容。 该电容的大小一般应与整机匹配。 第五部分: 双向可控硅介绍 在风机的驱动电路中,最为重要的器件为TLP3526双向可控硅,下面就此器件做一附加说明,并在后附有TLP3526的资料介绍。 TLP3526的输入级为发光二极管,正向工作电流I=10mA,V压降=1.3V,I最大=50mA,二极管的反向击穿电压V>3V。 输出级为光敏双向管,导通时I=100mA,压降<3V,导通时状态维持电流为100μA,截止时,它的阻断电压为直流250V;当维持电流<100μA时,双向管由导通变截止,故我们可以通过控制输入级的三极管的截止,来使双向管截止;当阻断电压>250VAC、或输入级发光二极管发光时,则双向管导通;双向光电耦合管的最大静态du/dt为2V/μs时,当加在双向管两端的电压变化du/dt>2V/μs时,则双向管导通,为防止这种误导通的情况出现,一般都需要在输出端加上吸收电路,通常为加阻容滤波电路,这样可降低du/dt,同时保护TLP3526的输出级,防止双向管的误导通,而且可以同时吸收可控硅调速调整导通角对电路的干扰。 +12V+5V +5V1U/450V4148 3905.1K速度检测 驱动口 51/1W TLP3526333/250VN Q1L (图六) ●总结 从上面所述的几个电路的工作原理分析,我们可以综合总结一下目前我们美的分体机的室内风机工作原理: 首先,我们通过过零检测电路,检测出电源电压的零点位置;其次我们通过芯片软件的编写来对应出目前空调器运转所需的
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- 空调 典型 电路设计 规范